DE2238970A1

DE2238970A1 - Nicht-sphaerisches lichtdurchlaessiges optisches element

Info

Publication number: DE2238970A1
Application number: DE19722238970
Authority: DE
Inventors: Harry Howden
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-08
Publication date: 1973-02-22
Also published as: FR2148557A1; JPS4826150A; FR2148557B1; GB1343164A; JPS5644401B2

Description

■ ■■ _s ■ PHB. 32.

Dr. Herbert Scholz BKS/GVN

Pa ie;: ran wait ■ . -

Aar,ii!d8f: K. V. PH LirS'GLOEILAMPEItf/eiÄRN ? 9 ^ P Q 7 Π

A!-.h>: PHB- 32 181 I LOl)-I IU

.Anrr.eidung vom: 7,8.72

»Nicht-sphärisches lichtdurchlässiges optisches Element"

• ...00O00. . .

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung" von nicht-sphärischen lichtdurchlässigen optischen Elementen unter Anwendung eines Reproduzierverfahrens, in dem* wenigstens der die optische Oberfläche des Elementes bestimmende Teil- aus einem Kunstharzmaterial gegossen wird,

Bei der Herstellung solcher optischen Elemente besteht das Problem, die optische Oberfläche mit der gewünschten Genauigkeit zu bilden wegen des Schwunds des

! ■ 309808/1200

- > - PHB.32. 18

Kunstharzmaterials bei Anwendung eines (iussveri'aiirens.

Eine Lösung für dieses Problem wird von

Starkie in einem Artikel auf Seiten 107-109 in "Modern Plastics", Oktober 19^7 gegeben, in dem die Herstellung eines nicht-sphärischen optischen Elementes, z.B. einer Schmidt-Korrektorplatte, durch was genannt wird das "Oberflächenfertigungsverfahren", beschrieben wird. In diesem Verfahren wird ein Kunstharzmaterial in eine optisch bearbeitete Lehre gegossen, die einer gewünschten Form einer optischen Oberfläche entspricht. Dies liefert ein gegossenes Vorformstück, das, wegen des Schwunds des Kunstharzmaterials beim Giessen, eine optische Oberfläche hat, die wehr wenig von der genauen Form des Inneren der Lehre abweicht. Unter Anwendung der gleichen Lehre wird ein dünner Film aus dem gleichen Kunstharzmaterial wie für das Vorformstück verwendet wurde, auf die Oberfläche des Vorformstückes gegossen. Verglichen mit dem Rest des Vorformstücks ist dieser Film verhältnismässig dünn, so dass dessen Schwund beim Giessen klein ist und das Ergebnis ist, dass ein optisches Element erhalten wird, dessen Form ziemlich genau der Form des Inneren der Lehre entspricht. Weil für das Vorformstück und den Film das gleiche Material verwendet wird, braucht die Grenzfläche zwischen diesen beiden die optischen Eigenschaften des Elementes nicht zu beeinflussen, wobei die Brechungszahl auf beiden Seiten der Grenzt'Iäche die gleiche ist. Mit diesem Verfahren bedeutet der Schwund des Films beim Giessen jedoch, dass das optische Element nicht genau der gewünschten optischen Form entsprechen

309808/1200

- ί - - PUB.32.181

kann, aber die Toleranz ist für manche Anwendungen akzepi ie-i'bai'¹.

Bei einem anderen aus der britischen Patentschrift "-G 7 9 h'2.6 bekannten Reproduzi ei'verf ahren,, ■ wird kenn gegossenes Vorformstück verwendet und wird eine Oberfläclienbedeckung aus Kunstharzmaterial in Uebereinstimmung mit einer gewünschten nicht-sphärischen Form auf die Oberfläche eines Substrats gegossen. In diesem Beispiel ist die Oberflächenbedeckung sehr dünn verglichen mit der Dicke des Substrats, so dass, wie beim vorigen Verfahren, der Schwund beim Giessen klein ist. Für grössere Genauigkeit wird der Schwund des Kunstharzmaterials beim Gussverfahren durch Anwendung einer Lehre mit einer vergrösserten öder übertriebenen nicht-* sphärischen Oberfläche derart ausgeglichen, dass die anfänglich zum Füllen der Lehre erforderliche Menge des Kunstharzmaterials beim Giessen schwinden wird und die erforderliche nicht-sphärische Oberfläche gebildet wird. Dies wäre im wesentlichen ein Ännäheru'ngsverfahren, in dem das gegossene Element mit einer optisch bearbeiteten Urlehre verglichen wird und die Lehre nach jedem Guss allmählich vergrössert wird bis die gewünschte Genauigkeit erhalten worden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Problem des Schwunds in einer günstigeren Weise als bis jetzt aus zug! eichen .„ " ,

Die -vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verjähren zur Herstellung eines nicht-sphärisehen lichtdurchlässigen optischen Elementes, dadurch gekenn-

3098 08/1200

- 4 - PHB.32.181

zeichnet, dass ein lichtdurchlässiges Substrat in der Nähe einer nicht-sphärischen Lehre und derselben zugewendet angeordnet wird, welche Lehre eine Oberfläche hat, die der nicht-sphärischen Kontur einer Glasurlehre entspricht, dass ein lichtdurchlässiges Kunstharzmaterial in flüssiger Form in die Lehre injiziert wird, welches Kunstharzmaterial eine Brechurigszahl hat, die grosser ist als die der Glasurlehre um einen Prozentsatz, der etwa gleich dem Prozentsatz des linearen Schwunds des Kunstharzmaterials während des Giessens ist, und das Kunstharzmaterial ausgehärtet wird.

Unter linearem Schwund ist hier zu verstehen,

Schwund in einer Richtung senkrecht zur Substratober- ;

fläche, d.h. Schwund, der die endgültige Schichtdicke '

beeinflussen wird.

Mit einem nicht-sphärischen optischen Element gemäss der Erfindung liefert die Zunahme der Brechungszahl der gegossenen Schicht zum Ausgleich des Schwunds während des Giessens durch die Schicht einen optischen Weg, der etwa die gleiche Länge hat wie ein optischer Weg haben sollte in einer Schicht die die gleiche Brechungszahl hat wie die genannte Glasurlehre und deren nichtsphärische Oberfläche der genannten bestimmten nichtsphärischen Kontur entspricht.

Beim Durchführen der Erfindung ist die Anwen-

i. dung eines warmhärtbaren Kunststoffes, wie ein Epoxyharz oder ein Polyesterharz, für die Schicht vorzuziehen, weil solche Materialien verhältnlsmässig hart sind wenn sie gehärtet haben und also ein haltbares Produkt liefern.

309808/1200

- I - PUB.32.181

Der maximale Unterschied, in Dicke zwischen "verschiedenen Teilen der Schicht ist vorzugsweise weniger als 0,o4 Inch. Das Sub&trat kann auch ein Vorformstück solcher Materialien sein^ aber die Anwendung eines Glassubstrats ist vorzuziehen weil Glassubstrate mit entweder sphärischen oder ebenen Oberflächen· leicht und billig erhaltbar sind und nicht speziell für diesen Zweck herzustellen sind. Für eine Glasurlehre aus einem Glas mit einem Brechungszahl von 1,57» kann das Material der
Schicht ein Epoxyharz sein mit einer Breehungszahl,. die grosser als 1,57 £^&t un* einen Prozentsatz, de-r etwa
gleich dem Prozentsatz des linearen Schwunds ist, der während des Giessens zur Bildung der Schicht erhaltenworden ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig., T zeigt SrChematisch das Prinzip der· Erfindung,,

Fig. 2 zeigt ein optische;» Element und

Fig. 3 zeigt ein; Stadium bei der Herstellung des Elementes nach Fig. 2v

Fig. 1 zeigt (nicht masatäblieh) einen: Elementarteil eines nicht-sphärischen lichtdurchlässigen optischen Elementes von einer Form mit einem lichtdurchlässigen. Substrat mit einer Oberfläche,, die mit einer gegossenen Schicht aus lichtdurchlässigem Kunstharzmaterial bedeckt ist, dessen Auesenoberflache nieht-spharisch ist. Dieser Elementarteil enthält also einen Subatrat- teil S und einen Schichtteil L. Venn Angenommen wird,

PHB.32-181

dass die Materialien für das Substrat und die Schicht die gleichen Brechungszahlen r_ haben, wird an ihre*· Grenzfläche F keine Brechung auftreten und es kann angenommen werden, dass ein gerader optischer Weg OP durch die Elementarteile besteht. Daher wird Licht LL an der Oberfläche des Schichtteiles L einem solchen optischen Veg durch den Elementarteil folgen und als Licht LL* an die Oberfläche des Substratteiles S erscheinen« wobei dieses Licht LL¹ abgebogen (oder korrigiert) wird gegenüber dem Licht LL wegen der zwei Brechungen an den Grenzflächen Luft/Schicht und Substrat/Luft. Es ist einleuchtend, dass das Mass der Abbiegung zwischen den Eingangs— licht LL und dem Ausgangslicht LL¹ von der- Dicke der Teile S und L und ihren Brechungszahlen abhängig ist. Wenn daher die Dicke des Schichtteiles L reduziert würde, so dass ihre Breite nur La war, so sollte ein anderer kürzerer optischer Weg OP* durch den Elementarteil bestehen, infolgedessen, das Mass der Abbiegung zwischen dem Eingangslicht und dem Ausgangslicht IJL" kleiner sein würde. Die gleiche Abbiegung wie oben kann Jedoch erhalten werden durch Vergrössern der Brechungszahl des Schichtteiles L von r zu r¹, so dass Licht wieder längs dem Weg P in den Substratteil S läuft. Es kann daher eingesehen werden, dass, wenn ein nicht-sphärisebes optisches Element der obigen Form optische Eigenschaften in Uebereinstimmung mit einer bestimmten nicht-sphärischen Kontur und einem bestimmten Verhältnis zwischen den Brechungszahlen seines Substrats und seiner Schicht haben soll, gemäss der Erfindung der lineare Schwund des

teilte/ti·*

- t- PHB„32.181

Kunstharzmaterials beim Giessen der Schicht in einer, Lehre entsprechend der bestimmten Kontur dadurch ausgeglichen werden kann, dass für die Schicht ein Kunstharzmateriai gewählt wird, mit einer Brechungszahl, die grosser ist als sie anders sein sollte um einen Prozentsatz, der dem Prozentsatz des linearen Schwunds entspricht.

Die Herstellung gemäss der Erfindung eines ni.cht-sphärisehen optischen Elementes der obigen Form wird jetzt beschrieben werden. In Fig. 2 enthält eine Schmidt-Korrektorplatte eine runde Glassubstratplatte mit einem Durchmesser von 12 cm und einer Brechungszahl von T,57« Die ebene Oberfläche 2 der Platte 1 ist mit einer Schicht aus Bisphenol-A-Epoxyharz mit Epoxyäquivalent 5 bis 5»2 und hydroxyalkyliertem Polyamin Härter der einen ausgehärteten Harz mit Brechungszahl von etwa 1,58 liefert. Die Oberfläche 4 der Schicht 3 ist nichtsphärisch und entspricht im allgemeinen dem bekannten Schmidt-Korrektorplattenprofil. Der Unuterschied in Dicke zwischen den dicksten Teilen 5 der Schicht 3 und den dünnsten Teilen 6 ist weniger als Ο,θ4 Inch.

Die Korrektorplatte nach Fig. 2 ist in folgender Weise hergestellt worden. .

Der Oberfläche 7 einer Glaslehre 8 (Fig. 3) wird zuerst die erforderliche Kontur gegeben durch normale optische Bearbeitungsverfahren, welche Kontur der nicht-sphärischen Kontur einer Glasurlehre mit bekannter Brechungszahl (ζ.B. 1,57 ) entspricht deren ' " optischen Eigenschaften die Kofrelf torplatte · i?u entsprechen

309808/1200 ' "

-S- PHB.32.181

hat. Die Genauigkeit der erforderlichen Kontur wird durch Vergleichen mit einer Urlehre durch Interferenzstreifenverfahren kontrolliert. Die Oberfläche 7 der ί

Lehre wird dann gründlich gereinigt und poliert und mit einem Ablösungsmittel versehen von dem der grösste Teil dann poliert wird. Viele solche Ablösungsmittel sind bekannt, z.B. Silikone, OeIe und Fette.

Die Oberfläche 2 des Substrats 1 wird dann ,'

bearbeitet um die Schicht 3 darauf kleben zu können. |

Zu diesem Zweck wird sie in einem Gemisch aus warmem \

Wasser und Reinigungsmittel gewaschen, mit niedergeschlagener Kreide gereinigt, mit entionisiertem Wasser gewaschen, in Isopropylalkohol gereinigt und dann durch Ionenbombardierung in einem Vakuumraum gereinigt.

Das Substrat 1 wird dann in einem Abstand von 0,02" bis 0,05" von der Lehre 8 in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration angeordnet und der Raum 9 wird mit einem Gemisch aus Epoxyharz und Härter gefüllt. Für eine Glasurlehre mit Brechungszahl 1,57» ist Bisphenol -A-Epoxyharz mit Epoxyäquivalent 5 bis 5>2 und

hydroxyalkyliertem Polyamin Härter, der einen ausge- \

härteten Harz mit Brechungszahl 1,58 liefert, geeignet. Es ist wichtig, dass während des Giessens keine Luftblasen in den Raum 9 eingefangen werden und zu diesem Zweck wird diese Stufe in einem Vakuumraum durchgeführt. Ein biegsamer Streifen 10 aus z.B. Maskierungsklebband wird um den Umfang der Lehre 8 angeordnet um den Harz zu behalten. Durch einen Schlitz 11 zwischen dem Streifen und dem Substrat 1 kann überflüssiges Harz abfliessen.

309808/1200

- <* - PHB. 32. 181

Das Material der Schicht 3 wird dann bei Zimmertemperatur zum Aushärten stehen gelassen/, worauf die Lehre 8 entfernt wird und die fertige Schmidt—Korrektorplatte der Fig. 2 erhalten ist. Es hat sich gezeigt, dass wenigstens 100 und möglich noch mehr Korrektorplatten mit einem Durchmesser von 12 cm für eine f1,6 Schmidtlinse während der Lebensdauer einer Glaslehre 8 hergestellt werden können.

Statt den Raum 9 in einem Vakuum zu füllen, kann dies dadurch in Luft geschehen, dass der Kunstharz und der Härter durch ein (nicht—dargestelltes) Loch in der Mitte des Substrats 1 injiziert werden. Dies ist aber ziemlich unbefriedigend, da die Unterseite des Substrats 1 dann nachher noch optisch flach poliert werden muss.

Für bestimmte andere nicht-sphärische optische Elemente als Schmidt-Korrektorplatten kann es vorteilhaft sein, wenn die Oberfläche 2 des Substrats 1 sphä— risch, konvex oder konkav ist, da die Variation in Dicke von Punkt zu Punkt der Schicht 3 manchmal so reduziert werden kann. Wenn diese Variation nicht zu einem akzeptierbaren Mass reduziert werden kann, wird es notwendig sein, der Oberfläche 2 einen ungefähr genauen Profil zu geben, ehe die Schicht 3 darauf angebracht wird. ,.,"-.

Während des Aushärtens der Schicht 3 wird der lineare Schwund des Epoxyharzes 0,5$ bis 1 15$ sein. Die endgültige nicht-sphärische Kontur des optischen Elementes wird also nicht genau der nicht-sphärischen

30980871200

- PHB. 32. 181

Kontur der Lehre entsprechen. Grosse optische Genauigkeit wird jedoch erreicht, weil die Brechungszahl (1,58) der Epoxyharzschicht um etwa 0,64$ grosser ist als die
Brechungszahl (1,57) der Glasurlehre, was innerhalb des Bereiches des Prozentsatzes des linearen Schwunds des
Harzes während des Aushärtens ist.

309808/12 OQ

Claims

i*f - PIII3.32. 181 PAT]ONTANSI1RuECIIE :

1.J Verfahren zur Herstellung eines nicht-sphürisclien lichtdurchlässigen optischen Elementes, dadurch gekennzeichnet;, dass ein lichtdurchlässiges Substrat in der Nähe einer nicht-sphärischen'Lehre und-derselbenzugewendet angeordnet wird, welche Lehre eine Oberfläche hat, die der nicht-sphärischen Kontur einer Glasurlehre entspricht, dass ein lichtdurchlässiges Kunstharzmaterial in flüssiger Form in die Lehre injiziert wird, welches Kunstharzmaterial eine Brechungszahl hat, die grosser ist als die der Glasurlehre um einen Prozentsatz, der etwa gleich dem Prozentsatz des linearen Schwunds des Kunstharzmaterials während des Giessens ist, und das Kunstharzmaterial ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch T₁ dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharzmaterial ein Epoxyharz ist. /. 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Glas besteht.

γ i - -

3098 08/1200

4t

Leerseite