DE202016008528U1

DE202016008528U1 - Optische Komponente

Info

Publication number: DE202016008528U1
Application number: DE202016008528.0U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2026-03-18
Also published as: DE102016105004A1

Abstract

Optische Komponente (1), ausgebildet aus einem umgeformten Glassubstrat (2), das durch Umformen aus einem flachen Glassubstrat (10) hergestellt ist, wobei die Vorder- und Rückseite des umgeformten Glassubstrats (2) jeweils eine offene, nicht-planare Oberfläche ausbildet und zumindest eine der Oberflächen der Vorder- und Rückseite auf einer beliebigen Fläche mit einem Durchmesser von 20 mm maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,4 mm, bevorzugter maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,1 mm und noch bevorzugter maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,05 mm aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Komponente mit einer offenen, nicht-planaren Oberfläche, die durch Senken eines technischen oder optischen Glases auf eine Formfläche hergestellt ist.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von optischen Komponenten mit nicht-planaren Oberflächen bekannt. So können beispielsweise optische Linsen durch Pressformen aus einem erweichten Glas oder einem Vorformling (Englisch: preform) hergestellt werden. Sofern die durch Pressformen erzielbare optische Qualität, insbesondere Oberflächenqualität, für die geplante Anwendung noch nicht ausreichend ist können die Oberflächen der optischen Komponenten nachbearbeitet werden, insbesondere durch Schleifen, Polieren oder gar Läppen.
Flache Komponenten mit planen, glatten Oberflächen, wie beispielsweise Fenster” werden üblicherweise durch Schneiden und anschließendes Schleifen/Polieren aus einem Block (Vollmaterial) hergestellt.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von optischen Komponenten, insbesondere von solchen mit gekrümmten Oberflächen, ist das Fräsen und anschließende Schleifen /Polieren aus einem Glasmaterial (Vollmaterial). Diese Verarbeitung ist aufwändig, hat den Nachteil von großen Abfallmengen, einem hohen Glaseinsatz und langen Maschinenprozesszeiten, insbesondere wenn eine hohe optische Qualität, insbesondere Oberflächenqualität, erzielt werden soll.
Im Stand der Technik ist dabei die Herstellung von optischen Komponenten mit asphärisch gekrümmten Oberflächen sehr aufwändig. Insbesondere ist die Nachbearbeitung nur durch magnetorheologisches Polieren, MRF (englisch magneto rheological finishing), nötig um die hohen Anforderungen an die Oberflächengüte von optischen Elementen zu erreichen.
Bisher wurden Glasscheiben nicht zur Herstellung von gekrümmten optischen Komponenten verwendet. Das zur Herstellung von optischen Komponenten verwendete optische Rohglas liegt in der Regel als Block oder Barren und nicht als Glasscheibe vor.
Vor diesem Hintergrund besteht weiterer Verbesserungsbedarf nach der Herstellung solcher optischen Komponenten in effizienter, wirtschaftlicher Weise und mit einer hohen optischen Qualität.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte optische Komponente bereitzustellen, die wirtschaftlicher und in besserer Qualität hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Komponente nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Komponente bereitgestellt, die aus einem umgeformten Glassubstrat ausgebildet ist, das durch Umformen aus einem flachen Glassubstrat hergestellt ist, wobei die Vorder- und Rückseite des umgeformten Glassubstrats jeweils eine offene, nicht-planare Oberfläche ausbildet und zumindest eine der Oberflächen der Vorder- und Rückseite auf einer beliebigen Fläche mit einem Durchmesser von 20 mm maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,4 mm, maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,1 mm und noch bevorzugter maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,05 mm aufweist.
Rauheitsmessungen werden dabei typischerweise mit Atomkraftmikroskopie (AFM) auf 2 × 2 µm Proben für Dünngläser durchgeführt. Die mittels AFM gemessenen mittleren Ra -Werte sind typisch im Bereich von 1 - 5 Angström (0,1 - 0.5 nm).
Interferometrisch wurden für größere Flächenareale bei einer optischen Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung Rauwerte bis ca. 2 nm gemessen, die aber auch durch kleinste Oberflächendefekte beeinflusst werden können.
Das als Ausgangsmaterial für das Herstellungsverfahren verwendete flache Glassubstrat kann dabei insbesondere ein Flachglas aus einem für die gewünschte optische Anwendung geeigneten technischen oder optischen Glas oder Glaskeramik sein. Flachglas bzw. flache Glassubstrate mit im Wesentlichen planparallelen Oberflächen sind kostengünstig in hoher Qualität verfügbar. Dies stellt eine Abkehr von dem üblichen Lösungsansatz nach dem Stand der Technik dar, wonach Glasscheiben aus technischem Glas nicht zur Herstellung von gekrümmten optischen Komponenten verwendet, sondern vielmehr optisches Rohglas als Ausgangsmaterial eingesetzt wurde, das in der Regel als Block oder Barren und nicht als Scheibe vorliegt. Der Begriff „flaches Glassubstrat“ bezieht sich im Sinne der vorliegenden Anmeldung darauf, dass zumindest eine Oberfläche des Glassubstrats eine Ebene aufspannt und somit nicht gekrümmt ist oder in anderer Weise abschnittsweise von dieser Ebene vorsteht, soll sich jedoch nicht auf die Rauigkeit des Glassubstrats beziehen, wenngleich für das Verfahren grundsätzlich Glassubstrats mit möglichst geringer Oberflächenrauigkeit bevorzugt werden.
Die hohe Qualität von Flachglas bzw. flachen Glassubstraten zeichnet sich insbesondere durch eine niedrige Einschlussdichte, Blasendichte oder Schlierendichte des Ausgangsmaterials aus, die durch das Umformen nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Somit können erfindungsgemäß optische Komponenten mit hoher Qualität effizient hergestellt werden. Die Flachheit ist dabei insbesondere mindestens vom Grad „commercial“ der ISO-Norm 10110 part 5, bevorzugter zumindest vom Grad „optical“ der ISO-Norm 10110 part 5 und noch bevorzugter zumindest vom Grad „high precision“ der ISO-Norm 10110 part 5.
„Eine hohe Oberflächenqualität“ der optischen Komponente nach der Umformung bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass Dickentoleranzen der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente maximal 50 µm, bevorzugter maximal 40 µm betragen, und/oder deren Oberflächenverwölbung (warp) maximal 0,05% bezogen auf die Dicke der optischen Komponente beträgt, und/oder eine Welligkeit auf der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente maximal 150 µm beträgt. Das Verhältnis Peak-to-valley kann maximal 1/5, vorzugsweise maximal 1/10 betragen und mindestens 1/50 betragen.
Dabei kann die Kantenlänge der optischen Komponente mindestens 30 x 30 mm, bevorzugter bis zu 100 x 100 mm und noch bevorzugter bis zu 200 x 300 mm betragen, und/oder die Dicke der optischen Komponente kann mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm betragen. Dabei kann das Aspektverhältnis (Verhältnis der Dicke der optischen Komponente zu deren maximaler Abmessung) höchstens 1/5, vorzugsweise höchstens 1/8, bevorzugter höchstens 1/10 des Durchmessers bzw. der kürzesten Kantenlänge betragen und mindestens 1/30, vorzugsweise 1/40, mehr bevorzugt 1/50 betragen, wodurch insbesondere für eine ausreichende Stabilität gesorgt ist. Bei kleineren optischen Komponenten kann die Dicke mindestens 1 mm betragen, bei großen Komponenten mit Abmessungen von bis zu 100 x 100 mm und noch bevorzugter von bis zu 200 x 300 mm kann die Dicke mindestens 4 oder 5 mm betragen.
Dabei kann die Schlierendichte gemäß Teil 4 der ISO-Norm 10110 mindestens Schlierenklasse 1 betragen. Nach der ISO-Norm 10110 werden die Schlieren in den Klassen 1- 4 gemäß ihrer Fläche bewertet, bezogen auf die optisch wirksame Gesamtfläche der optischen Komponente. Dabei werden nur Schlieren berücksichtigt, die eine ebene Wellenfront stärker als 30 nm deformieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das umgeformte Glassubstrat bzw. die optische Komponente eine Einschlussdichte von weniger als 0,03 mm² pro 100 cm³, bevorzugter von weniger als 0,02 mm² pro 100 cm³ und noch bevorzugter von weniger als 0,006 mm² pro 100 cm³ aufweisen. Die Einschlüsse betreffen insbesondere Blasen. Die Charakterisierung der Blasenhaltigkeit erfolgt durch Angabe des auf 100 cm³ Volumen bezogenen Gesamtquerschnitts in mm², errechnet aus der Summe der festgestellten Querschnitte von Blasen. Einschlüsse, wie Steinchen oder Kristalle, werden wie Blasen gleichen Querschnitts behandelt. Bei der Bewertung werden alle Blasen und Einschlüsse mit einer Abmessung ≥ 0,03 mm berücksichtigt. Die maximal zulässige Querschnittsfläche und die maximal zulässige Anzahl von Blasen und Einschlüssen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet. Gemäß ISO 10110, Teil 3, können die Blasen aufgeteilt werden. Anstelle einer Blase mit einer vorgegebenen Größe kann eine größere Anzahl Blasen kleinerer Abmessungen zugelassen werden. Insbesondere genügt die Blasenqualität zumindest der Anforderung „Standard“ der nachfolgenden Tabelle, bevorzugter zumindest der Anforderung „VB“ der nachfolgenden Tabelle und noch bevorzugter zumindest der Anforderung „EVB“ der nachfolgenden Tabelle:

Blasenqualität Standard VB EVB

Gesamt-Querschnittsfläche in mm² pro 100 cm³ 0,03 0,02 0,006

Maximal zulässige Anzahl pro 100 cm³ 10 4 2
Nach dem Umformen sollen sich die Oberflächen der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente dabei im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Oder die Oberflächen der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente laufen unter Einschluss eines konstanten, spitzen Winkels und Ausbildung eines trapezförmigen Querschnitts auseinander bzw. aufeinander zu, wobei dann bereits das Glassubstrat vor der Umformung einen trapezförmigen Querschnitt haben muss, es sei denn es wird aufgehend von einer planparallelen Scheibe mit einem Stempel ein „Pressling“ gepresst, der einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Eine wichtige Eigenschaft des Ausgangsmaterials (flaches Glassubstrat, Ausgangsscheibe) stellt dabei die Oberflächengüte da, die insbesondere durch die Oberflächenrauheit spezifiziert werden kann. Diese Oberflächengüte wird überraschenderweise durch das Umformen des Ausgangsmaterials nicht wesentlich beeinträchtigt, sodass sich die hohe Oberflächengüte des Ausgangsmaterials direkt auf die Oberflächengüte der optischen Komponente übertragen lässt.
Diese hohe Oberflächengüte der optischen Komponente kann dabei gemäß der Erfindung ohne wesentliche Nachbearbeitung der Oberfläche des umgeformten Substrats nach dessen Umformung erzielt werden. Dies schließt eine anschließende Vergütung und/oder Beschichtung der Oberfläche des umgeformten Substrats nach dessen Umformung grundsätzlich nicht aus. Ein Nachschleifen, Polieren oder gar Läppen der gesamten Oberfläche der optischen Komponente kann im Einzelfall nötig sein. Üblicherweise ist eine Nachbearbeitung allenfalls lokal erforderlich, etwa im Bereich eines Unterdruckanschlusses, wie nachfolgend näher ausgeführt.
Als Ausgangsmaterial können insbesondere plan-parallele Glasscheiben mit roher/matter Oberfläche, polierter Oberfläche oder feuerpolierter Oberfläche verwendet werden. Die Plan-Parallelität (oder die Trapezform) der Oberflächen der Glasscheibe vor deren Umformung überträgt sich auf eine ebenfalls hohe Plan-Parallelität (oder Trapezform) der Oberflächen des umgeformten Glassubstrats. (es sei denn, es wird gepresst)
Die Oberflächen der optischen Komponente bilden dabei zweckmäßig zumindest abschnittsweise ein konvex oder konkav gekrümmtes Profil aus, das insbesondere auch als Freiformfläche spezifisch auf die jeweilige optische Anwendung angepasst werden kann. Das jeweilige Profil der Oberfläche der optischen Komponente ist dabei offen ausgebildet, was im Sinne der vorliegenden Anmeldung insbesondere bedeuten soll, dass die Oberfläche der optischen Komponente nicht geschlossen ausgebildet ist. Die Oberfläche der optischen Komponente kann dabei insbesondere ein gleichmäßig gekrümmtes Profil in einer Richtung oder in mehr als einer Richtung ausbilden. Denkbar sind grundsätzlich auch komplex zusammengesetzte Oberflächenprofile mit abschnittsweise unterschiedlicher Krümmung und/oder Krümmungsradius.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Oberflächen der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente zumindest abschnittsweise eine asphärische gekrümmte Freiformfläche ausbilden. Weicht von der Kugelform ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Oberflächen der Vorder- und Rückseite zumindest abschnittsweise konkav oder konvex gekrümmt, wobei ein Krümmungsradius der Oberflächen in einer ersten Richtung (x) bevorzugt von einem Krümmungsradius der Oberflächen in einer zweiten Richtung (y), die senkrecht zu der ersten Richtung (x) ist, abweicht. Derartige optische Komponenten können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie nachfolgend ausgeführt, in einfacher Weise hergestellt werden, während dies mit herkömmlichen Verfahren, wie etwas Pressformen nicht oder nur unter hohem Aufwand möglich ist. Dabei ist die Oberflächengüte bzw. Oberflächenqualität der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente durch Kennzahlen charakterisiert, wie vorstehend ausgeführt.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis Peak-to-valley maximal 1/5, vorzugsweise maximal 1/10, wobei diese bevorzugt mindestens 1/50 beträgt.
Eine so hergestellte optische Komponente kann beispielsweise eine Kantenlänge von mindestens 30 x 30 mm, 50 x 50 mm, 100 x 100 mm, vorzugsweise 200 x 300 mm, Max. 500 x 500 mm und/oder eine Dicke von mindestens 2, vorzugsweise mindestens 5 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Oberfläche der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung und/oder einer optisch wirksamen Beugungsstruktur versehen. Als Beschichtung kommen insbesondere Antireflex-Beschichtungen oder (teil-)reflektierende Beschichtungen in Betracht, ausgebildet insbesondere mittels dielektrisches Vielfach-Schichtsysteme oder geeigneter Metallisierungen. Auch Easy-to-clean-Beschichtungen oder anti-Fingerprint-Beschichtungen oder PVD/CVD- oder Tauchbeschichtungen kommen in Betracht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine Markierung auf der Oberfläche oder am Rand der optischen Komponente vorgesehen, die zur Ausrichtung der optischen Komponente bei einem Montagevorgang zum Verbauen der optischen Komponente in einem optischen System dienen kann. Bei einer solchen Markierung kann es sich einerseits um dreidimensionale Strukturen handeln, insbesondere Einkerbungen oder Aussparungen auf der Oberfläche oder am Rand der optischen Komponente, die durchaus auch komplexe Formen haben können, beispielsweise die Form eines Markierungskreuzes oder dergleichen. Grundsätzlich in Betracht kommen jedoch auch auf die Oberfläche der optischen Komponente nachträglich aufgebrachte Strukturen in Frage, beispielsweise Beschichtungen oder Metallisierungen mit einer Information bezüglich der Position und/oder Ausrichtung der optischen Komponente, beispielsweise in Form eines Markierungskreuzes, Linien-/Strichmusters oder dergleichen.
Als besonders bevorzugter Verfahrensschritt zum Umformen des flachen Glassubstrats zu dem umgeformten Glassubstrat hat sich insbesondere das Senken des flachen Glassubstrats auf eine Form erwiesen, die zumindest abschnittsweise eine nicht-planare Oberfläche aufweist. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass wichtige Eigenschaften, die die Qualität des flachen Glassubstrats als Ausgangsmaterial charakterisieren, wie beispielsweise Oberflächengüte, Oberflächenrauheit, Einschlussdichte, Blasendichte oder Schlierendichte, sich beim Senken nicht oder nur unwesentlich verschlechtern, sodass sich die Qualität des flachen Glassubstrats ohne weiteres auf die Qualität des umgeformten Glassubstrats übertragen lässt. Dies macht die Herstellung auch komplexer Oberflächenprofile durch ein einfaches und kostengünstiges Verfahren aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien möglich.
Als Ausgangsmaterialien eignen sich für das Verfahren technische Gläser, insbesondere aus Borosilikatgläser, beispielsweise Borofloat®, technische Gläser wie beispielsweise die SCHOTT-Gläser D263, AF 32, B 270, oder optische Gläser, insbesondere aus N-BK7, Synthetisches Quarzglas, Low Tg Gläser, wie beispielsweise die SCHOTT-Gläser P-BK7, P-SK57, oder Glaskeramik, insbesondere aus Robax®, Ceran, oder Farbgläser, insbesondere (Fluor)Phosphatgläser mit färbenden Komponenten, wie beispielsweise die SCHOTT-Gläser BG60, oder andere Farbgläser wie WG, oder Chalkogenidgläser wie die SCHOTT IRG-Gläser.
Die Festigkeit der Gläser (E-Modul) kann dabei maximal 90 × 10³ N/mm² und minimal 35 × 10³N/mm² betragen, und insbesondere im Bereich zwischen 80 - 40 × 10³ N/mm² liegen.
Die optische Komponente zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Umweltbeständigkeit (insbesondere gegenüber Feuchtigkeit) aus, auf Grundlage der ISO / WD 13384 Klimaresistenz Klasse, ISO 8424 Säure, ISO 10629 Alkali und ISO 9689 Phosphat.
Eine optische Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit den folgenden Schritten bereitgestellt werden:

- Bereitstellen eines flachen Glassubstrats, insbesondere aus einem Flachglas, aus einem technischen Glas oder einem optischen Glas;
- Erwärmen des Glassubstrats;
- Senken des erwärmten Glassubstrats auf eine Form, die zumindest abschnittsweise eine nicht-planare Oberfläche aufweist, um ein umgeformtes Glassubstrat auszubilden; und
- Trennen des umgeformten Glassubstrats von der Form;

Dabei kann zumindest eine der Oberflächen der Vorder- und Rückseite des umgeformten Glassubstrats nach dem Trennen des umgeformten Glassubstrats von der Form ohne weitere Oberflächennachbearbeitung auf einer beliebigen Fläche mit einem Durchmesser von 20 mm maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,4 mm, maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,1 mm und noch bevorzugter maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,05 mm aufweisen.
Um ein Einbrennen von Partikeln in die erwärmte Oberfläche in der Ofenatmosphäre zu verhindern, was die Oberflächenqualität verschlechtern würde, dürften sich in der Luft in dem zum Erwärmen des Substrats verwendeten Ofen keine Partikel befinden, was durch entsprechendes Filtern erreicht werden kann. Die Scheiben sollten vor dem Senken auf die Form entsprechend gereinigt werden, ggf. wird der zum Senken verwendete Ofen in einem Reinraum oder in einem begrenzten Raum mit kontrollierter Umgebung, insbesondere Partikeldichte, betrieben.
Beim Senken berührt das Glas bevorzugt nicht die untere Oberfläche, sondern dieses wird nur an den Seiten gehalten. Dadurch keine Druckstellen auf der Oberfläche, (allerdings sind nur sphärische Oberflächen möglich), ggf. auch mit Vakuum
Bevorzugt wird das Glassubstrat auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des technischen oder optischen Glases erwärmt, insbesondere auf eine Temperatur, bei der die Viskosität des technischen oder optischen Glases im Bereich von 10¹³ bis 10⁴ dPas liegt, insbesondere im Bereich des Erweichungspunktes EW. Dies ist die Temperatur T₁₀ ^7,6, bei der das Glas eine Viskosität von 10^7,6 dPas aufweist und sich unter dem Eigengewicht deformiert. Absolut, bei in Betracht ziehen der Viskosität Max. Bereich 800°C Min. Bereich 180°C Idealer Bereiche 400 - 600°C
Bei der Herstellung kann die Form eine konkav gewölbte Formungsfläche aufweisen, wobei das Glassubstrat sich entweder aufgrund der Schwerkraft auf die gewölbte Formungsfläche senkt, oder die Form einen Unterdruckanschluss zum Anlegen eines Unterdrucks an die gewölbte Formungsfläche aufweist und das Glassubstrat aufgrund des Unterdrucks unterhalb des Glassubstrats an die gewölbte Formungsfläche gesaugt wird. Alternativ kann auch ein Überdruck (Gas, z.B. Luft) oberhalb des Glassubstrates angelegt werden, mit dem dann das erwärmte Glassubstrat in die Form gepresst wird. Hierbei ist zu beachten, dass eine Form verwendet wird, die man gasdicht verschließen kann.
Bei der Herstellung kann die gewölbte Formungsfläche zumindest abschnittsweise mit einer Oberflächenstruktur versehen sein, die beim Senken des Glassubstrats auf die gewölbte Formungsfläche auf eine der Oberflächen des Glassubstrats als optisch wirksame Struktur übertragen wird, insbesondere als Beugungsstruktur.
Bei der Herstellung kann das Glassubstrat vor den Schritten des Erwärmens und Senkens zunächst mittels eines Press-Umformungsschritts zu einem Vorformling mit annähernd der gewünschten Endform (Endprofil) des herzustellenden umgeformten Glassubstrats oder mit annähernd der gewünschten Endform (Endprofil) und Oberflächenstrukturierung des herzustellenden umgeformten Glassubstrats umgeformt werden, wobei der umgeformte Vorformling bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren als das Glassubstrat in den Schritten Erwärmen des Glassubstrats, und Senken des erwärmten Glassubstrats in die Form verwendet wird, um das umgeformte Glassubstrat mit der gewünschten Endform (Endprofil) auszubilden. Bei diesem Verfahren wird das Glassubstrat zunächst durch einfaches Press-Umformen bei geeigneten Prozessparametern nahezu in die gewünschte Endform der optischen Komponente gebracht, einschließlich etwaiger Oberflächenstrukturen, wie beispielsweise Gitterstrukturen, die auch abschnittsweise vorgesehen sein können. Durch das Senken des flachen Glassubstrats () oben: Ausgangsmaterial) verbessern sich überraschenderweise bei geeigneten Prozessparametern wichtige Eigenschaften des Glases und dessen Oberfläche, wie beispielsweise Oberflächengüte, Oberflächenrauheit, Einschlussdichte, Blasendichte oder Schlierendichte, sodass mit diesem zwei-stufigen Verfahren optische Komponenten mit geeigneter Qualität hergestellt werden können. Denkbar ist beispielsweise, dass mittels des Press-Umformens das flache Glassubstrat zunächst mit sphärisch gekrümmten Oberflächen versehen wird und der so ausgebildete Vorformling dann auf eine Form mit - zumindest abschnittsweise - asphärisch gekrümmter Formungsfläche gesenkt wird, und zwar bevorzugt bei vergleichsweise geringer weiterer Umformung, um so eine optische Komponente mit zumindest abschnittsweise asphärisch gekrümmter Oberfläche auszubilden.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:

1A bis 1C in einer Draufsicht und in Schnittansichten eine optische Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung;
1D und 1E Einzelheiten der optischen Komponente gemäß der 1A;
1F eine optische Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B Einzelheiten einer optischen Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Komponente, das einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen soll;
4A bis 4C schematisch Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Komponente gemäß einer ersten Ausführungsform, um für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen;
5A bis 5D schematisch Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform, um für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen;
5E in einer schematischen Schnittansicht die nach der Herstellung gemäß den 5A bis 5D ausgebildete optische Komponente; und
5F bis 5H Einzelheiten der bei der Herstellung gemäß den 5A bis 5D verwendeten Formwerkzeuge sowie der Oberfläche der optischen Komponente, die in der 5E gezeigt ist.

In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die 1A zeigt eine optische Komponente 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Diese weist auswärts gekrümmte obere/untere Ränder 4 und auswärts gekrümmte seitliche Ränder 5 auf. Auf der Oberfläche sind linienartige Markierungen 7 vorgesehen, die einerseits für die gewünschte optische Anwendung dienen können, etwa als Ziel- oder Justierungsmarkierung, die jedoch auch als Markierung zur Ausrichtung der optischen Komponente 1 bei einem Montagevorgang zum Verbauen der optischen Komponente 1 in einem optischen System verwendet werden kann. Eine solche Markierung kann in die Oberfläche eingeritzt oder strukturiert sein oder in Form einer Beschichtung oder Metallisierung nachträglich aufgebracht sein. Den gleichen Zweck kann auch die in dem vergrößerten Teilausschnitt gemäß der 1E dargestellte Einkerbung 6 am rechten Seitenrand 5 der optischen Komponente dienen.
Wie in den Querschnitten gemäß der 1B und 1C dargestellt, ist auf der Oberfläche (hier die Innenseite der konkaven Wölbung) der optischen Komponente 1 eine Beschichtung 3 vorgesehen, die durch Aufbringen eines dielektrischen Vielfach-Schichtsystems oder auch als Metallisierung aufgebracht werden kann, um der Oberfläche Antireflex- oder Reflexionseigenschaften zu verleihen.
Eine solche optische Komponente kann beispielsweise als Strahlkombinierer verwendet werden und mit einer teilreflektierenden Beschichtung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich (beispielsweise bei der Wellenlänge einer LED-Displayeinrichtung) versehen sein. Das Oberflächenprofil verleiht der optischen Komponente 1 dabei gewünschte Abbildungseigenschaften.
Die 1B und 1C zeigen dabei eine Schnittansicht der optischen Komponente nach der 1A entlang von zwei unterschiedlichen Raumrichtungen, hier entlang von senkrecht zueinanderstehenden Raumrichtungen, nämlich der x-Richtung und y-Richtung in dem Koordinatensystem gemäß der 1A. Erkennbar ist der unterschiedliche Krümmungsradius in den beiden Raumrichtungen.
Insgesamt bilden die Oberflächen ein offenes, nicht-planares Oberflächenprofil aus. Derartige Oberflächenprofile können auch abschnittsweise unterschiedlich gewählt sein und zu einem komplexeren Oberflächenprofil der optischen Komponente zusammengesetzt sein. Erkennbar ist, dass sich die beiden Oberflächen der optischen Komponente dabei stets parallel zueinander erstrecken, die Dicke der optischen Komponente (in z-Richtung gemäß der 1A) dabei stets konstant bleibt.
Die 1D zeigt den in den 1B und 1C gezeigten vergrößerten Teilausschnitt in starker Vergrößerung. Lokal oder über die gesamte Oberfläche des umgeformten Substrats 2 der optischen Komponente kann mit einer optisch wirksamen Struktur versehen sein, im dargestellten Beispiel einem Beugungsgitter.
Die 2A und 2B zeigen Einzelheiten einer optischen Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung in zwei Schnittansichten entlang von unterschiedlichen Raumrichtungen, nämlich entlang der x-Richtung und der y-Richtung in dem Koordinatensystem gemäß der 1A. Gemäß der 2A erstrecken sich die beiden Oberflächen der optischen Komponente entlang der x-Richtung (2A) stets parallel zueinander, während die beiden Oberflächen der optischen Komponente entlang der dazu senkrechten y-Richtung (2B) unter Einschluss eines konstanten, spitzen Winkels und Ausbildung eines trapezförmigen Querschnitts auseinander laufen.
Die 1F zeigt eine optische Komponente gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung, bei der die Oberflächen der Vorder- und Rückseite der optischen Komponente 1 zumindest abschnittsweise eine asphärische gekrümmte Freiformfläche 8 ausbilden.
Die 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer optischen Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung.
Als Ausgangsmaterial wird ein flächiges Glassubstrat mit planparallelen Oberflächen (oder alternativ mit einem trapezförmigen Profil, wie in der 2B gezeigt) bereitgestellt (Schritt S1). Dieses Glassubstrat kann insbesondere ein Flachglas sein. Das Glassubstrat kann aus einem auf die gewünschten optischen Eigenschaften der optischen Komponente abgestimmten technischen oder optischen Glas bestehen. Beispiele sind: Borosilikatgläser, beispielsweise Borofloat®, technische Gläser wie beispielsweise die SCHOTT-Gläser D263, AF 32, B 270, oder optische Gläser, insbesondere aus N-BK7, Synthetisches Quarzglas, Low Tg Gläser, wie beispielsweise die SCHOTT-Gläser P-BK7, P-SK57, oder Glaskeramik, insbesondere aus Robax®, Ceran, oder Farbgläser, insbesondere (Fluor)Phosphatgläser mit färbenden Komponenten, wie beispielsweise die SCHOTT-Gläser BG60, oder andere Farbgläser wie WG, oder Chalkogenidgläser wie die SCHOTT IRG-Gläser.
Das flächige Glassubstrat kann dabei insbesondere quadratisch oder rechteckförmig sein. Seine Ränder können jedoch grundsätzlich auch auf die gewünschte Form der optischen Komponente abgestimmt sein, beispielsweise für die optische Komponente gemäß der 1A gekrümmt ausgebildet sein, was sich durch geeignete Bearbeitung, beispielsweise Laserschneiden oder Schleifen, einfach erzielen lässt.
Anschließend wird das flächige Glassubstrat in dem Schritt S2 in die Nähe einer Form gebracht und in dessen unmittelbarer Nähe geeignet erwärmt, um dann für nachfolgenden Schritt S3 rasch und ohne größeren Wärmeverlust auf die Form gesenkt werden zu können. Die Erwärmung kann dabei in einem Heizofen erfolgen, jedoch auch beispielsweise mittels Laserstrahlung erfolgen.
Die Erwärmung erfolgt auf eine geeignete Temperatur, die auf die Zusammensetzung des verwendeten Glassubstrats abgestimmt ist und unterhalb der Erweichungstemperatur des technischen oder optischen Glases liegt. Beispielsweise kann das Glassubstrat in dem Schritt S2 auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der die Viskosität des Glases im Bereich von 10¹³ bis 10⁴ dPas liegt, insbesondere bei 10^7,6 dPas liegt.
Anschließend erfolgt in dem Schritt S3 des Senkens des Glassubstrats auf eine Form mit einem vorbestimmten Oberflächenprofil, wie nachfolgend ausgeführt, um ein umgeformtes Glassubstrat auszubilden, das dann in einem optionalen weiteren Schritt S4 weiterverarbeitet werden kann, jedoch hierzu nicht in wesentlichem Umfang einer Oberflächennachbearbeitung unterzogen wird. Beispiele für diese Weiterverarbeitung sind das Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung oder Oberflächenvergütung oder eine nur lokale Nachbearbeitung, beispielsweise im Bereich einer zum Ansaugen des Glassubstrats verwendeten Ansaugöffnung.
Weitere Einzelheiten des Verfahrensschritts S3 werden nachfolgend anhand der 4A bis 4C näher ausgeführt.
Die bei der Herstellung verwendete Form 11 weist eine gleichmäßig konkav gewölbte Formungsfläche 12 auf, in deren Mitte optional eine Saugöffnung 13 vorgesehen sein kann, an die über den Sauganschluss 14 ein Unterdruck angelegt werden kann. Die Form 11 und jedenfalls deren Formungsfläche 12 ist aus einem geeigneten hitzebeständigen Material ausgebildet, beispielsweise aus einem zunderfreier Spezialstahl (sog. Warmarbeitsstahl). Bei einem Warmarbeitsstahl handelt es sich um einen legierten Werkzeugstahl. Sie werden dann eingesetzt, wenn die Oberflächentemperatur des Werkzeugs im Betrieb über 300°C beträgt.
Legierungselemente für Warmarbeitsstähle sind Chrom, Wolfram, Silizium, Nickel, Molybdän, Mangan, Vanadium und Kobalt. Durch eine Härtungsbehandlung besitzen die Warmarbeitsstähle einen hohen Verschleißwiderstand. Durch ein darauffolgendes Anlassen wird eine hohe Warmfestigkeit erzielt. Warmarbeitsstähle erfüllen die Anforderungen einer hohen Warmfestigkeit, Warmverschleißfestigkeit, hohe Anlassbeständigkeit, Zähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmedehnung.
Die Form 11 ist bevorzugt aus dem Material gefräst oder gegossen, die Formungsfläche 12 ist geeignet oberflächenbehandelt, beispielsweise durch Schleifen, Polieren und/oder Läppen, sowie durch Aufbringen einer geeigneten Oberflächenbeschichtung. Dabei ist die Oberflächenrauheit der Formungsfläche 12 so gewählt, dass die Oberflächengüte der Oberflächen der optischen Komponente nach der Umformung die vorgenannten Spezifikationen erfüllen.
Das flächige Glassubstrat 10 wird gemeinsam mit der Form 11 in einen Ofen 15 eingebracht, wobei Prozessparameter, wie beispielsweise Temperatur, Unterdruck an dem Sauganschluss 14, Prozesszeiten, Annealing-Zeiten, mittels einer Steuereinrichtung 16 geeignet gesteuert werden. In dem Ofen werden das flächige Glassubstrat 10 und die Form 11 geeignet erwärmt. Durch Anlegen eines Unterdrucks an den Sauganschluss 14, oder auch nur aufgrund der vorherrschenden Schwerkraft, senkt sich das flächige Glassubstrat 10 auf die Form 11, wobei das Oberflächenprofil, ggf. auch die Oberflächenstruktur, der Formungsfläche 12 auf die Oberfläche des umgeformten Glassubstrats 2 übertragen wird.
Bei der Herstellung wird das flächige Glassubstrat 10 bevorzugt nur soweit auf die Form 11 abgesenkt, dass es die Innenoberfläche der Form 11 gerade nicht berührt, was durch geeignete Wahl der Prozessparameter gewährleistet werden kann. Auf diese Weise wird die Oberflächengüte des umgeformten Glassubstrats 2 nicht durch die Eigenschaften der Form 11 beeinflusst.
Abschließend erfolgt ein geeignetes Abkühlen des umgeformten Glassubstrats 2, womit sich beispielsweise eine geeignete thermische Verspannung einstellen lässt. Bevorzugt werden Temperaturprofile, die eine möglichst spannungsarme Abkühlung des umgeformten Glassubstrats 2 ermöglichen.
Abschließend erfolgt das Trennen des umgeformten Glassubstrats 2 von der Form 11, wie in der 4C dargestellt.
Statt das flächige Glassubstrat 10 unmittelbar auf die Form 11 zu senken, kann bei der Herstellung alternativ gemäß den 5A bis 5E zunächst das flächige Glassubstrat 10 durch Pressumformung zwischen einer oberen Pressform 20 und einer unteren Pressform 21 zu einem Vorformling (Preform) 10' umgeformt werden, der annähernd das Oberflächenprofil und ggf. auch bereits annähernd die Oberflächenstruktur der herzustellenden optischen Komponente aufweist. So kann gemäß dem vergrößerten Teilausschnitt aus der unteren Pressform 21, der in der 5F gezeigt ist, auf der Oberfläche der unteren Pressform 21 die Gegenform zu einem gewünschten optischen Beugungsgitter ausgebildet sein, die sich bei der Pressumformung auf die entsprechende Oberfläche des Vorformlings 10' überträgt, wie in dem vergrößerten Teilausschnitt aus der Oberfläche des Vorformlings 10' gemäß der 5C, der in der 5G gezeigt ist und ein optisches Beugungsgitter 23 zeigt.
Der Vorformling 10' wird gemeinsam mit der Form 11 in einen Ofen 15 eingebracht, wie in der 5D gezeigt, wobei Prozessparameter, wie beispielsweise Temperatur, Unterdruck an dem Sauganschluss 14, Prozesszeiten, Annealing-Zeiten, mittels einer Steuereinrichtung 16 geeignet gesteuert werden. In dem Ofen werden der Vorformling 10' und die Form 11 geeignet erwärmt. Durch Anlegen eines Unterdrucks an den Sauganschluss 14, oder auch nur aufgrund der vorherrschenden Schwerkraft, senkt sich der Vorformling 10' auf die Form 11, wobei das Oberflächenprofil, ggf. auch die Oberflächenstruktur, der Formungsfläche 12 auf die Oberfläche des umgeformten Glassubstrats 2 übertragen wird.
Abschließend erfolgt ein geeignetes Abkühlen des umgeformten Glassubstrats 2, womit sich beispielsweise eine geeignete thermische Verspannung einstellen lässt. Bevorzugt werden Temperaturprofile, die eine möglichst spannungsarme Abkühlung des umgeformten Glassubstrats 2 ermöglichen.
Abschließend erfolgt das Trennen des umgeformten Glassubstrats 2 von der Form 11, wie in der 5E dargestellt. 5H zeigt den vergrößerten Teilausschnitt aus der Oberfläche des in der 5E gezeigten umgeformten Glassubstrats 2.
Eine so hergestellte optische Komponente kann beispielsweise eine Kantenlänge von mindestens 50 x 50 mm, 100 x 100 mm und/oder eine Dicke von mindestens 2, vorzugsweise mindestens 5 mm aufweisen.
Eine so hergestellte optische Komponente kann grundsätzlich entsprechend dem ausgebildeten Oberflächenprofil, ggf. auch der ausgebildeten Oberflächenstruktur, für beliebige optische Funktionen verwendet werden. Bevorzugt ist die optische Komponente zumindest abschnittsweise mit einem asphärisch gekrümmten Profil, insbesondere ausgebildet als Freiformfläche, versehen. Optische Komponenten im Sinne der vorliegenden Anmeldung können insbesondere als Combiner (Ein Combiner (dtsch. Kombinierer von Informationen) besteht aus einer spiegelnden, lichtdurchlässigen Scheibe. Der Combiner überlagert bzw. kombiniert Informationen der Umwelt mit künstlich erzeugten Informationen z. B. in Form eines Head-Up-Displays) zum Vereinigen von zwei optischen Strahlengängen (von denen der eine vielfarbig und der andere insbesondere bei einer vorbestimmten Wellenlänge emittiert werden kann), Glasbildschirm, konvexe oder konkave Linsen, Spiegel für Licht bei verschiedenen Wellenlängen (abhängig von der jeweiligen Beschichtung) oder Blendschutz (gegen Sonnenlicht oder einen Laserstrahl) eingesetzt werden,
Bezugszeichenliste

1: Optische Komponente
2: umgeformtes Substrat
3: Beschichtung
4: oberer Rand
5: Seitenrand
6: Kerbe
7: Ausrichtmarkierung
8: Freiformflächen
9: Beugungsgitter
10: Substrat
10': Substrat
11: Senkform
12: konkave Vertiefung
13: Saugöffnung
14: Sauganschluss
15: Ofen
16: Steuereinrichtung
20: obere Pressform
21: untere Pressform
22: Gitterstruktur auf unterer Pressform 21
23: übertragene Gitterstruktur auf Substrat 10'

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO / WD 13384 [0033]
ISO 8424 [0033]
ISO 10629 [0033]
ISO 9689 [0033]

Claims

Optische Komponente (1), ausgebildet aus einem umgeformten Glassubstrat (2), das durch Umformen aus einem flachen Glassubstrat (10) hergestellt ist, wobei die Vorder- und Rückseite des umgeformten Glassubstrats (2) jeweils eine offene, nicht-planare Oberfläche ausbildet und zumindest eine der Oberflächen der Vorder- und Rückseite auf einer beliebigen Fläche mit einem Durchmesser von 20 mm maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,4 mm, bevorzugter maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,1 mm und noch bevorzugter maximal einen Fehler einer Größe von bis zu 0,05 mm aufweist.
Optische Komponente nach Anspruch 1, mit einer Kantenlänge von mindestens 30 × 30 mm, bevorzugter mit einer Kantenlänge von bis zu 100 × 100 mm, noch bevorzugter von bis zu 200 × 300 mm, und/oder mit einer Dicke von mindestens 2 mm, vorzugsweise von mindestens 5 mm.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen der Vorder- und Rückseite sich parallel zueinander erstrecken oder die Oberflächen der Vorder- und Rückseite in einer vorgegebenen Richtung quer zur Vorder- und Rückseite der optischen Komponente (1) unter Einschluss eines konstanten, spitzen Winkels und Ausbildung eines trapezförmigen Querschnitts auseinanderlaufen, wobei Dickentoleranzen maximal 50 µm, bevorzugter maximal 40 µm betragen, und/oder eine Oberflächenverwölbung (warp) maximal 0,05% bezogen auf die Dicke der optischen Komponente beträgt, und/oder eine Welligkeit auf der Vorder- und Rückseite maximal 150 µm beträgt.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das umgeformte Glassubstrat (2) aus einem technischen Glas, insbesondere aus Borosilikatglaser, wie Borofloat®, 33, technischen Gläsern wie D263, AF32, B270, aus einem optischen Glas, insbesondere aus N-BK7, synthetischem Quarzglas, Low-Tg-Glas wie P-BK7, P-SK57, aus einer Glaskeramik, wie Robax®, insbesondere aus Robax®, Ceran®, Zerodur®, oder aus einem Farbglas, insbesondere aus (Fluor)Phosphatgläsern mit färbenden Komponenten, beispielsweise BG60, WG (Beispiele Farbgläser), oder aus einem IRG-Glas hergestellt ist.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das umgeformte Glassubstrat (2) eine Einschlussdichte von weniger als 0,03 mm² pro 100 cm³, bevorzugter von weniger als 0,02 mm² pro 100 cm³ und noch bevorzugter von weniger als 0,006 mm² pro 100 cm³ aufweist.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen der Vorder- und Rückseite zumindest abschnittsweise eine asphärische gekrümmte Freiformfläche ausbilden.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen der Vorder- und Rückseite zumindest abschnittsweise konkav oder konvex gekrümmt sind, wobei ein Krümmungsradius der Oberflächen in einer ersten Richtung (x) bevorzugt von einem Krümmungsradius der Oberflächen in einer zweiten Richtung (y), die senkrecht zu der ersten Richtung (x) ist, abweicht.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Vorder- und Rückseite zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung (3) und/oder einer optisch wirksamen Beugungsstruktur (9) versehen ist.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest eine Markierung (6, 7) auf der Oberfläche oder am Rand der optischen Komponente (1) zur Ausrichtung der optischen Komponente (1) bei einem Montagevorgang zum Verbauen der optischen Komponente (1) in einem optischen System.
Optische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, herstellbar durch ein Verfahren, das den Schritt eines Senkens (S3) eines Glassubstrats (10) aus einem Flachglas auf eine Form (11) aufweist, die zumindest abschnittsweise eine nicht-planare Oberfläche aufweist.