DE2240488A1

DE2240488A1 - Optischer koerper

Info

Publication number: DE2240488A1
Application number: DE2240488A
Authority: DE
Inventors: Hajime Kamiya; Fumio Onoki
Original assignee: Hoya Lens Corp
Current assignee: Hoya Lens Corp
Priority date: 1971-09-01
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1973-03-15
Also published as: CA979302A; US3811753A; DE7230488U; AU449182B2; JPS4836850U; FR2150832B1; IT965163B; NL7211967A; JPS5622177Y2; HK477A; AU4620872A; GB1407081A; FR2150832A1

Description

Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel Dr. rer. nat. Wolf-Dieter Henkel

D - 757 Baden-Baden Balg Dipl.- I ng. R a If M. Kern

_Te.?ÄV«27 Dr. rer. nat. Lothar Feiler Talagr.-Aclr.: [ΙΙΙρκΜ B*dw»4edM D-ft ΜΙίηΛβΙΙ 90:

Eduard-SdwnkJ-Str. 2 -j ΤΛ: (0811) 663197

Tatagr.rAdr.1 BHpwM MOndm ,

Hoya Lens Co., Ltd, T^„„529Bi)2 hnKU

Tokio/ Japan

L j 17.Μ16Λ972

Optischer Körper

Die Erfindung betrifft optische Körper aus Kunststoff, insbesondere solche mit verbessertem Oberflächenaufbau, nämlich Brillengläser zur Korrektur der Sehkraft oder zu Sohutzzwecken, Objektive und Okular Uns en für Ferngläser, Bin*- okulare oder Fernrohre sowie optische Teile von Fenstern, Türen, Reflektoren und dgl.

In der Regel besitzen Kunststoffe ein geringeres Gewicht als Glas, ein sehr hohes Festigkeits-/Gewichts-Verhältnis und eine hohe Bruchfestigkeit. Nachteilig an einschlägigen Kunststoffen ist jedoch, daß sie (nur) eine geringe Oberflächenhärte aufweisen und folglich mehr oder minder leicht zerkratzt werden, daß sich ihre optischen Eigenschaften infolge Verfärbung verschlechtern, daß sie durch Einwirkung von UV-Strahlen und Luftfeuchtigkeit einem Abbau unterliegen und daß3hre-Beständigkeit · gegen Lufteinwirkung gering ist. Kunststoffe eignen sich folglich nicht für eine länger dauernde verwandung bei gleichbleibender Stabilität. Die geschilderten Nachteile sind Kunststoffen innewohnende Eigenschaften und unvermeidlich.

Es hat nun nicht an Versuchen gefehlt, die geschilderten Nachteile von Kunststoffen zu vermeiden oder auszuschalten. So wurde beispielsweise der Versuch unternommen, auf beide Außenseiten bzw. Oberflächen eines Kunststoffkörpers aus

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einem glasartigen Material aus Silikaten, wie SiO und bestehende Überzüge einer Stärke von 2 μ - 5 ja aufzudampfen. Obwohl ein optischer Körper einer solchen Oberflächenbeschaffenheit eine größere Härte, eine bessere Witterungsbeständigkeit und dergleichen erhält, nimmt seine Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung auf 1/15 bis 1/20 der Kunststoffen (üblicherweise) eigenen Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung ab. Hierauf wird später noch eingegangen werden. Aus Sicherheitsgründen sind somit optische Körper der geschilderten Oberflächenbeschaffenheit für den praktischen Gebrauch nicht geeignet.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Körper aus Kunststoff zu schaffen, der trotz modifizierter Oberflächenbeschaffenheit die dem Kunststoffsubstrat eigene Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung beibehält, die erforderliche Härte oder Kratzfestigkeit aufweist, gegenüber Lufteinwirkung widerstandsfähiger ist und sich über lange zeit hinweg sicher gebrauchen läßt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein optischer Körper aus Kunststoff, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einem Kunststoffsubstrat und einem auf eine Außenseite des KunststoffSubstrats aufgedampften überzug aus glasartigem Material, im wesentlichen bestehend aus Silikatsubstanz, wie SiO und SiO₂, einer Stärke von etwa 1 ^u bis 10 u»gebildet ist. Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine aus einem optischen Kunststoffkörper gemäß der Erfindung bestehende Konkav-Konvexlinse;

Fig. 2 einen Längsschnitt, der die Druck- bzw. Spannungsverteilung in einer üblichen aus Kunststoff bestehenden Konkav-Konvexlinse zeigt;

Fig. J einen Längsschnitt durch die Linse gemäß Fig. 2, der die Änderung der Druck- bzw. Spannungsverteilung

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bei Schlageinwirkung auf die Linse zeigt;

Fig. 4 einen Längsschnitt, der die Druck- bzw. Spannungsverteilung bei einer beidseitig, d.h. auf der Innen- und Außenseite beschichteten Linse gemäß Fig. 2 zeigt und

Fig. 5 einen Längsschnitt, der die Druck- bzw. Spannungsverteilung in einer aus einem optischen Kunststoffkörper gemäß der Erfindung gebildeten Konkav-Konvexlinse zeigt,

In der Regel werden Kunststoffe beim Ausformen infolge Restspannungen, die auf eine ungleichmäßige Ausdehnung und Kontraktion beim Formvorgang zurückzuführen sind, doppelbrechend, und zwar unabhängig vom jeweiligen Formgebungsverfahren. Insbesondere bei plattenartigen Preßlingen treten in der Nähe der Oberflächenschicht Spannungen auf, während in der Umgebung des zentralen inneren Teils Stauchdrueke auftreten.

Dies läßt sich dadurch feststellen, daß sich beim Auftreffen von polarisiertem Licht auf einen Prüfling die Polarisation durch den Prüfling hindurch in einer Weise fortsetzt, daß sie infolge der Doppelbrechung in zwei Strahlen aufgespalten wird. Die Phasendifferenz zwischen den beiden polarisierten Strahlen läßt sich mit Hilfe eines Polariskops bestimmen. Auf diese V/eise können die Phasenrichtungen der Spannung und des Stauchdruoks bestimmt werden.

In den Zeichnungen ist mit der Bezugszahl 1 ein konkavkonvexes Linsensubstrat aus Kunststoff bezeichnet, Mit der Bezugszahl 5 ist eine Kurve bezeichnet, die begrifflich eine Druck- bzw. Spannungsverteilung um . eine durch den Beobachtungsmittelpunkt (O) verlaufende senkrechte gedachte Linie 4 zeigt.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß der Stauchdruck in der Umgebung des Innenzentrums in einer Richtung (A), bezogen, auf die gedachte Linie 4,groß ist, während die Spannung in der Nähe der Innen- und Außenseite 2 und j5 in einer Richtung. (B).groß ist.

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Aus Pig. 5 geht hervor, daß bei Einwirkung einer-Schlagkraft (W) auf die Außenseite 2 des Linsensubstrats 1 in Pfeilrichtung teilweise eine Depressionsdefonnation eintritt, wobei die gezeigte (Druck- bzw. Spannungs-)Kurve 5 gebildet wird. Insbesondere kommt es an der Außenseite 2 zum Auftreten eines Stauehärucks und nahe der Innenseite jj zum Auftreten einer Spannung. Der Stauchdruck löst die ursprünglich nahe der Oberseite 2 des Linsensubstrats vorhandene Spannung ab, während die nahe der Innenseite 3 auftretende Spannung zu'der' ursprünglich nahe der Innenseite 3 vorhandenen Spannung addiert wird. Die nahe dqr Innenseite jj (bereits) vorhandene Spannung wird folglich noch weiter erhöht. Wenn nun die erhöhte Spannung die Bindungsfestigkeit der KunststoffmoIeküle übersteigt, sprengt sie die Molekülbindungen, was zu Rissen an den Spannungsstellen führt. Wenn die Spannungskonzentration an Rißendstellen entsteht, breiten sich die Risse letzlich über den ganzen Körper aus, so daß das Linsensubstrat 1 bricht.

Das Vorhandensein einer Spannung in der Oberflächenschicht eines Preßlings, z. B. eines aus Kunststoff gefertigten optischen Körpers, bedeutet folglich eine gleichermaßen starke Beeinträchtigung der Bruchfestigkeit bei Schlageinwirkung und der Krümmungsbeständigkeit des betreffenden Preßlings.

Aus Fig. 4 geht hervor, daß das beidseitig, d.h. auf der Außen- und Innenseite 2 bzw. 5 mit überzügen 2¹ bzw. 2¹ bedampfte Linsensubstrat 1 in der Nähe der Außen-~und Innenseite 2 bzw. 5 Spannungen aufweist, die 2 bis j5 mal größer sind als bei d^m in Fig. 2 dargestellten überzugsfreien Substrat. Da die (auf dem Substrat) haftenden überzüge 2¹ und J5* aus einem infolge seiner Zerbrechlichkeit bruchanfälligen Material bestehen und eine sehr schlechte Bruchfestigkeit bei Schlageinwirkung aufweisen, wird nichtsdestoweniger die Bruchfestigkeit gegen Schlageinwirkung solcher beids^Ltig mit überzügen versehener optischer Kunststoffkörper beträchtlich erniedrigt:

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Eine derartige Bauweise ist folglich derart nachteilig, daß sie praktischen Verwendungszwecken nicht zugeführt werden kann.

Andererseits wird .erfindungsgemäß - wie dies aus Fig. 1 hervorgeht - der Überzug 2¹ lediglich auf eine Oberfläche, d.h. auf die Oberseite 2,~des Linsensubstrats in einer-Stärke von' 1 μ bis 10 μ"aufgedampft. Auf der Innenseite 3 des Linsensubstrats 1 wird dagegen kein Überzug aufgebracht. Obwohl auch in diesem Fälle aus den genannten Gründen die Spannung an der Außenseite 2 steigt, ist - wie dies die (Druck- bzw. Spannungsverteilungs-)Kurve 5 von Fig. 5 ausweist"- die Spannung an der Innenseite 3 (lediglich) durch die Formgebung des Kunststoffkörpers bedingt und diesem eigen. Bei Einwirkung einer Schlagkraft (W) - wie lh Fig. 3 dargestellt - ist bei dieser Bauweise eines optischen Kunststoffkörpers der Deformationsgrad auf der Oberseite 2 genauso groß wie bei der'beidseitig mit Überzügen , versehenen Bauweise, er ist jedoch niedriger als bei der un- . beschichteten Bauweise. Andererseits ist der Deformationsgrad auf der Innenseite 3 niedriger als bei dem beidseitig mit Überzügen versehenen Linsensubstrat und genauso groß wie bei der unbeschichteten Bauweise.

Aus diesem Grunde sind bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten . optischen Körper aus Kunststoff, bei weichem der überzug 2^% lediglich auf einer Seite, nämlich der Oberseite 2, aufgedampft wurde, die Bruchbeständigkeitseigenschaften gegen Schlageinwirkung, die Härte, die Kratzfestigkeit und die Beständigkeit' gegen Lufteinwirkung, d.h. von Eigenschaften, wie*.sie bei der ■ Formgebung der Kunststoffkörper_ vorliegen" .._s verbessert,, weswegen erfindungsgemäße optische Körper aus Kunststoff über ■ längere zeit- hinweg bei gleichbleibender Stabilität verwendet werden können.

Überzüge 2* einer Stärke von unter 1 ja leisten kaum einen Beitrag zur Verbesserung d@r Kratzfestigkeit und Beständigkeit gegen Lufteinwirkung. Andererseits sind auch Überzüge 2^! einer Stärke von über 10 μ äaohfceilig und unpraktisch; und zwar

nicht nur aus Fertigungsgründen, sondern auch weil bei stärkeren Überzügen als 10 μ Risse auftreten können.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen. In den Beispielen werden optische Körper gemäß der Erfindung mit beidseitig, d.h. auf der Innen- und Außenseite, beschichteten optischen Kunststoffkörpern und unbeschichteten optischen Kunststoffkörpern verglichen.

- Beispiel 1

Es wurden Kugelfallversuche zur Messung der Bruchbeständigkeit gegen Schlageinwirkung von optischen Körpern aus Kunststoff durchgeführt. Das Testverfahren entsprach im wesentlichen den Testverfahren JIS-T 8146 (Japanese Industrial Standards) und den "American Engineering Standards". Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle I zusammengestellt.

Prüfling A;

Aus einem Polycarbonat hergestellte Konkav-Konvexlinse eines Durchmessers von 60 mm und einer Dicke von 2,5 mm, die beidseitig, d.h. auf der Innen- und Außenseite, nach einem üblichen Bedampfungsverfahren mit glasartigen überzügen aus SiO und SiOp einer Stärke von 5 /u bedampft worden war.

Prüfling B:

Linse aus demselben Ausgangsmaterial wie der Prüfling A, bei der jedoch lediglich auf eine Seite, nämlich auf die Oberseite, ein Überzug aufgedampft worden war (optischer Körper aus Kunststoff gemäß der Erfindung).

Prüfling C;

Linse entsprechend der Bauweise und Form wie der Prüfling A, bei welcher jedoch kein überzug aufgedampft worden war.

In der Tabelle I ist das prozentuale Auftreten von Rissen und/ oder Bruch der jeweiligen Prüf lirige im Rahmen des iejfolgenden

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geschilderten Tests angegeben. Für jeden Prüfling A, B und C wurden 50 Teststücke hergestellt, jedes Teststück wurde mit der Außenseite bzw. der konvexen Oberfläche, d.h. der Oberseite, nach oben auf einen aus Stahl bestehenden, ringförmigen Träger eines entsprechenden Durchmessers wie der Prüfling und einer Dicke von 5 mm gelegt« Auf die Teststücke des Prüflings A wurden 5 g schwere stahlkugeln in freiem Fall von einem Punkt direkt oberhalb der Teststücke fallengelassen. Auf die Teststücke der Prüflinge B und C wurden in gleicher Weise In freiem Fall 28 g schwere Stahlkugeln fallengelassen. Auf diese weise wurde auf das Zentrum jeden Test-Stücks eine Schlagkraft ausgeübt.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I
#-uales Auftreten von Rissen und/oder Bruch der Prüflinge

Prüfling

Stahlkugel

5 g

Fallhöhe

#-uale Riß- und/oder Bruchstellenbildung

30 cm 4o cm 50 cm 60 cm 70 cm 0 % 10 fo 50 % 80 ^ 100 %

Prüf
ling

Stahl- Fallhöhe kugel

28 g #-uale Riß- und/oder Bruchstellenbildung

16O cm 170cm 18O cm I90 cm 200 cm

_8o

Prüf- Stahl- Fallhöhe ling kugel

C 28 g jg-uäle Riß- und/oder Bruchstellenbildung

160 cm 170cm I80 cm 19Ö cm 200 cm 0 % 0 % 0 % 20 % 60 %

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Ah-

Beispiel 2

Aus jedem der Prüflinge B und C gemäß Beispiel 1 wurden Teststücke gefertigt, jeweils 1 Paar Teststücke wurde in den rechten und linken Teil eines einzigen Brillengestells eingesetzt. Die hierbei erhaltenen Brillen wurden 80 Tage lang getragen. Hierauf wurden die "Brillengläser" visuell auf ihre Kratzfestigkeit beurteilt. Hierbei wurden die in der folgenden Tabelle II zusammengestellten Ergebniese erhalten.

Tabelle II Beurteilung der Kratzfestigkeit

Bewertung

Prüfling

10 20 30 4o 50 6o 70 8o Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen

B	Außen seite	O	O	O	O	O + + +
C	Innen seite	O	O	O	+	₊ ♦ «
Außen seite	O	+	+♦		++ ₊₊₊ ^₊ ^₊
Innen seite	O	O		⁺	*******

Bemerkungen: 1. Es ist offensichtlich, daß mit dem Prüfling A

zumindest gleichwertige Ergebnisse erreicht werden als mit dem Prüfling B, weswegen mit dem Prüfling A kein Kratzfestigkeitstest durchgeführt wurde.
2. Symbole:

ο praktisch keine Kratzer + undeutliche Kratzer

++ deutliche Kratzer

₊₊₊ größere Anzahl an deutlichen Kratzern

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Aus Beispielen 1 und 2 geht hervor, daß der Prüfling B, d.h. ein optischer Körper aus Kunststoff gemäß der Erfindung, dem Prüfling Α* d.h. einem beidseitig mit einem Überzug versehenen optischen Körper aus Kunststoff, der Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung und dem Prüfling C, d.h. einem unbeschichteten optischen Körper aus Kunststoff, in der Kratzfestigkeit überlegen ist. Bei diesen Eigenschaften eignen sich optische Körperaus Kunststoff gemäß der Erfindung in hervorragender Weise für länger dauernden Gebrauch bei gleichbleibender Stabilität.

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Claims

Patentansprüche

Optischer Körper aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kunststoffsubstrat (1) und einem auf eine Außenseite des KunststoffSubstrats (T) aufgedampften Überzug (2¹) aus glasartigem Material, im wesentlichen bestehend aus Silikatsubstanz, wie SiO und SiO₂, einer Stärke von etwa 1 /U biß 10 /U gebildet ist.

2, Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine konvexe Oberseite (2) und eine konkave Innenseite (5) aufweist und eine Konkavkonvexlinse bildet,

3. Körper nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sein Kunststoffsubstrat (1) aus einem Polycarbonat besteht.

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