DE2254370A1 - Optisches element - Google Patents
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- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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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
ORIGINAL
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-2- PHB.32213
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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225Λ370
-5-~ PHB.32213
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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225437U
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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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-7- PHB.32213
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.
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.
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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-10- PHB.32213
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)
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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