DE2254370A1 - Optisches element - Google Patents

Optisches element

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DE2254370A1
DE2254370A1 DE2254370A DE2254370A DE2254370A1 DE 2254370 A1 DE2254370 A1 DE 2254370A1 DE 2254370 A DE2254370 A DE 2254370A DE 2254370 A DE2254370 A DE 2254370A DE 2254370 A1 DE2254370 A1 DE 2254370A1
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Harry Howden
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29DPRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
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    • B29D11/00009Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00413Production of simple or compound lenses made by moulding between two mould parts which are not in direct contact with one another, e.g. comprising a seal between or on the edges
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/0043Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor the workpieces being deformed during the grinding operation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • G02B3/04Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
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Description

PHB.32213 Va/A-vdV
. HOBST AViWL
Anmelier: N.V. FiiHJi 5' uLO-ILA^fcftiFABRlESE« " . · ·■
Akia: PHB-32.213 ' "'. 2254370
Anmeldung vom« 6. ΉθΎ. 1972
"Optisches Element"
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines asphärischen lichtdurchlässigen optischen Elements unter Anwendung eines Abdruckvorgangs, wobei zumindest der Teil des Elements, der eine optische Oberfläche desselben darstellt, aus einem Kunststoff gebildet wird.
Bei der Herstellung derartiger optischer Elemente ergibt sich das Problem, dass sich die optische
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Oberfläche infolge der Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten schwer mit der gewünschten Genauigkeit erhalten lässt.
Eine Lösung für dieses Problem wird von
Starkie in "Modern Plastics", Oktober 19^7, Seiten 107-109 angegeben, wo die Herstellung eines asphärischen optischen Elements, z.B. einer Schmidt-Korrekturplatte, durch ein als "Oberflächenveredelungsverfahren" bezeichnetes Verfahren beschrieben ist. Bei diesem Verfahren wird ein Kunststoff in eine optisch geformte Matrize gegossen, die der gewünschten Form einer optischen Oberfläche entspricht. Dadurch wird ein vorgeformter Giessling erhalten, der infolge der Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten eine optische Oberfläche aufweist, die nur in sehr geringem Masse von der genauen Form des Inneren der Matrize abweicht. Unter Verwendung derselben Matrize wird dann ein dünner Film aus dem auch für den vorgeformten Giessling verwendeten Material durch Giessen auf einer Oberfläche des vorgeformten Giesslings angebracht. Dieser Film ist im Vergleich zur Masse des vorgeformten Giesslings verhältnismässig dünn, so dass seine Schrumpfung beim Härten nur gering ist, was zur Folge hat, dass ein optisches Element erhalten wird, dessen Form sehr genau der Form des Inneren der Matrize entspricht. Da für den vorgeformten Giessling und für den Film dasselbe Material verwendet wird,
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beeinflusst die Grenzfläche zwischen diesen beiden die optischen Eigenschaften des Elements nicht notwendigerweise, weil die Brechungszahl auf beiden Seiten der Grenzfläche dieselbe ist. Bei diesem Verfahren hat jedoch die Schrumpfung des Filmes beim Härten zur Folge, dass der optische Element nicht genau der gewünschten optischen Form entsprechen kann; die Toleranz bei diesem Verfahren ist jedoch für gewisse Anwendungen akzeptabel.
Bei einem anderen Verfahren, das aus
der britischen Patentschrift Nr. 679^26 bekannt ist, wird kein vorgeformter Giessling verwendet. Es wird ein Oberflächenüberzug aus Kunststoff entsprechend einer gewünschten asphärischen Form auf die Oberfläche eines Substrats aufgepresst. In diesem Falle ist der Oberflächenüberzug sehr dünn im Vergleich zu der Dicke des Substrats, so dass, wie beim vorher beschriebenen Vorgang, die Schrumpfung beim Härten gering ist. Mit diesem letzteren Verfahren kann eine grössere Genauigkeit durch Ausgleich der Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten erhalten werden, indem eine Matrize mit einer vergrösserten oder übertriebenen asphärischen Oberfläche verwendet wird, so dass die Menge des Kunststoffes, die zum Ausfüllen der Matrize benötigt wird, beim Härten schrumpft, um die gewünschte asphärische Oberfläche zu bilden. Diese Methode zum Erzielen einer grösseren Genauigkeit
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ist eine im wesentlichen praktisch-empirische Methode; dabei müssen nacheinander erhaltene Elemente mit einem optisch geformten Original verglichen werden, wobei die Matrize nach jedem Vergleich in geringem Masse vergrössert wird, bis die gewünschte Genauigkeit erreicht ist. Eine andere Möglichkeit, mit diesem letzteren Verfahren eine grössere Genauigkeit zu erzielen, ist in der deutschen Patentanmeldung P 22 38 970.4 vorgeschlagen worden; dabei wird die Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten dadurch ausgeglichen, dass ein Kunststoff verwendet wird, dessen Brechungszahl um einen geeigneten Betrag die eines Glasoriginals überschreitet, zu dem die asphärische Oberfläche der Matrize komplementär ist, wodurch die durch die Schrumpfung des Kunststoffes herbeigeführte Herabsetzung der optischen Dicke kompensiert wird.
Die Erfindung schafft ein anderes Verfahren zur Erzielung einer grösseren Genauigkeit bei dem erwähnten letzteren Vorgang.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur
Herstellung eines asphärischen lichtdurchlässigen optischen Elements ist dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtdurchlässiges Substrat mit einer seiner Oberflächen im Abstand zu einer Matrizenfläche angeordnet wird, wobei die Matrizenfläche ein Profil aufweist, das das Negativ des gewünschten optischen Profils ist; dass der Raum
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zwischen den erwähnten Flächen mit einem lichtdurchlässigen haftenden Kunststoff ausgefüllt wird, der nach seinem Härten nahezu die gleiche Brechungszahl wie das Substrat aufweist; dass der Kunststoff zu einer gehärteten Schicht geformt wird und an dem beiden erwähnten Flächen haftet, wobei das Substrat Infolge der Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten elastisch verformt wird; dass die andere aussere Oberfläche des Substrats optisch plan geformt wird, und dass das Substrat mit der daran haftenden härteten Schicht von der Matrizenfläche abgelöst wird, wobei das erwähnte Substrat und die erwähnte Schicht zusammen das erwähnte optische Element bilden.
Beim Herstellungsverfahren nach der
Erfindung wird also die aussere Oberfläche des Substrats optisch plan geformt und das Substrat mit der Kunststoffschicht von der Matrize abgelöst. Dadurch wird erreicht dass das Substrat keine elastische Verformung mehr aufweist und dass die äussere Oberfläche ein Profil annimmt, das eine Krümmung besitzt, die gleich der Krümmung ist, die an der asphärischen Oberfläche der Kunststoffschicht infolge der Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten verlorengegangen ist. Es ist einleuchtend, dass dieser Krümmungsverlust sich nur dann äussert, wenn die elastische Verformung des Substrats durch Abtrennung der asphärischen Oberfläche der Kunststoffschicht von der Matrize aufgehoben wird.
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Nach der Erfindung wird für die gegossene Schicht vorzugsweise ein thermohärtender Kunststoff, wie ein Epoxydharz oder ein Polyesterharz, verwendet, weil diese Materialien nach dem Härten verhältnismässig hart sind, so dass ein stabiles Erzeugnis erhalten wird. Das Substrate kann auch ein vorgeformter Presslung aus diesen Materialien sein, aber die Verwendung eines Glassubstrats wird bevorzugt, weil unbearbeitete Glasplatten mit ebenen Oberflächen leicht und billig erhalten werden können und nicht speziell für diesen Zweck hergestellt zu werden brauchen. Im Idealfall ist die Brechungszahl des Kunststoffes gleich der des Substrats, do dass die Krümmung der erwähnten Aussenoberflache des Substrate genau den Krümmungsverlust an der asphärischen Oberfläche der Kunststoffschicht ausgleicht. In der Praxis wird aber auch mit nur nahezu gleichen Brechungszahlen ein hoher Genauigkeitsgrad erhalten. Für ein Glassubstrat mit einer Brechungszahl von z.B. 1,62 kann der Kunststoff beispielsweise ein Epoxyharz mit einer Brechungszahl von etwa 1,57 sein. Dadurch wird ein Fehler oder eine Abweichung von nur 1 ,um für eine Kunststoffschicht mit einer Dicke von 1 mm erhalten.
Weiter wird nach der Erfindung der Raum zwischen der Matrizenfläche und der ihr zugewandten Oberfläche des Substrats vorzugsweise von einem Glied begrenzt, auf dem das erwähnte Substrat abgestützt wird
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und das in bezug auf die Matrizenfläche in der zum
Substrat senkrechten Richtung verschiebbar ist,
damit das Substrat in der Nähe seines Randes verformt
werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch und nicht masstäblich ein durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestelltes optisches Element, und
Figuren 2 bis h aufeinanderfolgende Stufen in der Herstellung des optischen Elements nach Fig. 1.
Das optische Element nach Fig. 1 ist eine Schmidt-Korrekturplatte, die ein kreisförmiges Glassubstrat 1 enthält, dessen eine Oberfläche 2 mit einer
gegossenen Schicht 3 aus einem Epoxydharz überzogen ist. Die Aussenoberflache k der Schicht 3 ist asphärisch und entspricht nahezu dem Profil der bekannten Schmidt-Korrekturplatte. Die Aussenoberflache 5 des Glassubstrats 1 weist eine Krümmung auf, die gleich der Krümmung ist, die an der Oberfläche h der Schicht infolge der Schrumpfung des Epoxydharzes beim Härten dieser Schicht verloren
geht, wobei eine Matrizenfläche verwendet wird, die dem vollständigen Profil der Schmidt-Korrekturplatte komplementär ist. Das Glassubstrat 1 weist in einem praktischen Beispiel einen Durchmesser von 12 cm, eine Dicke von 0,6 cm und eine Brechungszahl von 1,62 auf.
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Die Schicht 3 wird vorteilhaft aus Bisphenol-A-Epoxydharz mit einem Epoxyäquivalent von etwa 5 und einem hydroxyalkylierten Polyarnin gebildet, wodurch ein gehärtetes Harz mit einer Brechungszahl von 1,57 erhalten wird. Der Unterschied in der Dicke zwischen den dicksten und den dünnsten Teilen der Schicht 3 ist in diesem praktischen Beispiel weniger als 0,05 cm.
Die erfindungsgemässe Herstellung der
Korrekturplatte nach Fig. 1 wird nunmehr an Hand der Figuren 2 bis h beschrieben· Eine Glasmatrize 6 weist eine Fläche 7 auf, die ein Profil besitzt, das ein Negativ (d.h. das Komplement) des gewünschten optischen Profils für die Korrekturplatte ist. Der Fläche 7 wird durch übliche optische Bearbeitungstechniken das gewünschte Profil gegeben, wobei das Profil dem asphärischen Profil eines Glasoriginals mit einer vorgegebenen Brechungszahl (und zwar 1,57, gleich der der Harzschicht 3 komplentär ist) dessen optische Eigenschaften auch die herzustellende Korrekturplatte aufweisen soll. Die Genauigkeit des Profils der Fläche 7 wird durch einen Vergleich mit dem Glasoriginal mit Hilfe von Interferenzstreifenverfahren kontrolliert.
Die Fläche 7 wird dann derart bearbeitet, dass das Epoxydharzgemisch, aus dem die Schicht 3 gebildet werden soll, ohne allzu grosse Schwierigkeiten nach Aushärtung des Harzes von dieser Fläche abgelöst
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werden kann. Zu diesem Zweck wird die Fläche 7 mit einem Gemisch aus warmem Wasser und Waschmittel gewaschen, mit Schlämmkreide gereinigt, mit entionisiertem Wasser gewaschen, mit Isopropylalkohol gespült, dann durch Ionenbeschuss in einer Vakuumkammer gereinigt und schliesslich mit einem silikonhaltigen Ablösemittel überzogen und poliert. Die Oberfläche 2 des Glassubstrats 1 wird auf gleiche Weise behandelt, um dafür zu sorgen, dass das Epoxydharzgemisch auch an dieser Oberfläche haftet, sie wird jedoch nicht mit einem Ablösemittel überzogen.
Das Glassubstrat 1 wird dann in unmittelbarer Nähe der Glasmatrize 6 in der Konfiguration nach Fig. 2 angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Oberflächen 2 und 7 in einem praktischen Beispiel 0,05 0,12 /um an den schmälsten Stellen beträgt. Die Genauig- · keit dieses Abstandes wird durch die Anbringung einer Buchse 8 vergrössert, auf der das Glassubstrat 1 abgestützt wird und die sich unter dem Einfluss einer darauf ausgeübten Kraft in bezug auf die Glasmatrize 6 frei bewegen kann. Der auf diese Weise zwischen den Oberflächen 2 und 7 gebildeten Raum wird dann mit dem Gemisch aus Epoxydharz und Härtungsmittel ausgefüllt. Es ist wichtig, dass während dieses Füllvorgangs keine Luftblasen in das Harzgemisch eingeschlossen werden. · Um dies zu verhindern, wird dieser Schritt in einer Vakuumkammer durchgeführt. Das Har\zgemisch wird bei
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Zimmertemperatur ausgehärtet und bildet dann die Schicht Da das Harzgemisch beim Aushärten schrumpft und ausserdem an den beiden Flächen 2 und 7 so fest haftet, dass die Verbindung trotz des infolge der Schrumpfung entstehenden, in zum Glassubstrat 1 senkrechter Richtung ausgeübten Drucks nicht brechen kann, wird das Glassubstrat 1 elastisch verformt (siehe Fig. 3)· Die obere Fläche 9 des Glassubstrats 1 weist nun ein Profil auf, das dem Schrumpfungsfaktor des Harzgemisches und dem Profil der Matrizenfläche 7 direkt proportional ist. Diese obere Fläche 9 wird nun plangeschliffen und -poliert, wodurch die Oberfläche 10 erhalten wird (5 - Fig. 1), wie in Fig. k dargestellt ist, wonach das Glassubstrat 1 mit der an seiner Oberfläche 2 haftenden Schicht 3 von der Matrizenfläche 7 durch das vorsichtige Ausüben einer Kraft abgelöst wird, die grosser als die Haftkraft zwischen dem ausgehärteten Harzgemisch und der Matrizenfläche 7 ist. Durch die Ablösung wird die elastische Verformung des Glassubstrats 1 aufgehoben, wodurch ein geringer Krümmung sverlust an der asphärischen Oberfläche beim "Geraderichten" dieser Oberfläche auftritt. Dieser Krümmungsverlust wird jedoch von der Krümmung ausgeglichen, die die bearbeitete (vorher ebene) Oberfläche 10 (5) annimmt, wenn die elastische Verformung des Glassubstrats 1 aufgehoben wird.
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Claims (3)

2264370 -11- PHB.32213 PATENTANSPRÜCHE;
1.j Verfahren zur Herstellung eines asphärischen
lichtdurchlässigen optischen Elements, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtdurchlässiges Substrat (i) mit einer seiner Oberflächen (2) im Abstand zu einer Matrizenfläche (7) angeordnet wird, wobei die Matrizenfläche ' ein Profil aufweist, das das Negativ des gewünschten optischen Profils ist; dass der Raum (3) zwischen den erwähnten Flächen mit einem lichtdurchlässigen haftenden Kunststoff ausgefüllt wird, der nach seinem Härten nahezu die gleiche Brechungszahl wie das Substrat aufweist; dass der Kunststoff zu einer gehärteten Schicht (3) geformt wird, die an den beiden erwähnten Flächen haftet, wobei das Substrat infolge der Schrumpfung des Kunststoffes beim Härten elastisch verformt wird; dass die andere, äussere Oberfläche (9) des Substrats optisch plan geformt wird, und dass das Substrat mit der daran haftenden gehärteten Schicht von der Matrizenfläche abgelöst wird, wobei das erwähnte Substrat und die erwähnte Schicht zusammen das erwähnte optische Element bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (3) zwischen der Matrizenfläche (7) und der ihr zugekehrten Oberfläche (2) des Substrats von einem Glied (8) begrenzt wird, auf dem das Substrat abgestützt wird und dass in bezug auf die Matrizenfläche in der Substrat senkrechten Richtung verschiebar ist,
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damit das Substrat in der Nähe seines Randes verformt werden kann.
3. Asphärisches lichtdurchlässiges optisches
Element, das durch das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist.
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