DE3210449A1

DE3210449A1 - Verfahren zur herstellung von linsen und linsen

Info

Publication number: DE3210449A1
Application number: DE19823210449
Authority: DE
Inventors: Walter P. 06281 Woodstock Conn. Siegmund
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: AO Inc 07950 SOUTHBRIDGE MASS US
Priority date: 1981-03-23
Filing date: 1982-03-22
Publication date: 1982-10-07
Also published as: FR2502344A1; US4391621A; AU8039782A; FR2502344B1; GB2095229B; JPS57156161A; HK55785A; AU546820B2; GB2095229A; CA1166851A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren.zur Herstellung von Linsen, insbesondere Mikrolinsen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Linsen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Die Erfindung befasst sich allgemein mit der Herstellung von Linsen, insbesondere mit solchen, die eine ausnehmend kleine Grosse aufweisen', dh. mit sog. Mikrolinsen. .

Die Herstellung von Mikrolinsen ist gegenwärtig schwierig und kostspielig, speziell dann, wenn ein Rundieren bzw.. Zuschleifen auf kleine Durchmesser von beispielsweise 1,o' mm oder darunter erwünscht ist. Die Herstellung von kleinen Glaskugeln zwecks Bildung der erwünschten .Oberflächenkrümmungen von Linsen lässt sich leicht mittels der bekannton Technik eines Schleifens und Polierens bzw. Läppens von. ■Kugellagerkugeln erzielen. Ein Zuschleifen dieser Kugeln auf kleinere als sphärische Durchmesser wird jedoch mühselig und teuer. .

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach durchzuführendes und kostengünstiges Her-. stellungsverfahren für Mikrolinsen anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Das erfindungsgemässe Verfahren hat den Vorteil, dass bei seiner Durchführung ein nachträgliches Zuschleifen der Linsen nicht notwendig ist.

Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich in verlässlicher und genauer Weise Linsen derart reproduzieren, dass eine Herstellung in Massenproduktion möglich ist,

·.

Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung bezweckt des weiteren die Schaffung entsprechender Linsen, vorzugsweise Mikrolinsen, welche durch einen länglichen zylindrischen Linserikörper und zumindest eine axialzentrierte sphärische Stirnfläche mit auf optische Qualität fertigbehandelter Oberfläche gekennzeichnet sind. Bevorzugte Weiterbildungen dieser Linse sind' in den' Unteransprüchen 9 bis 12 beschrieben. ' ·

Mit der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, bei dem' ein gläserner Vorformling erzeugt wird, der einen Kern aus dem für die eigentliche Linse bestimmten Glas in Form eines Stabes enthält, der mit einem Überzug aus einem bezüglich der Glasparämeter damit verträglichen ätzbaren Glas versehen ist. Der Vorformling wird einer zonenförmigen Erhitzung unterzogen und anschliessend auf eine Grosse gezogen, bei der der Durchmesser des Stabes dem'Durchmesser entspricht, den die zu erzeugenden Mikrolinsen haben sollen. Abschnitte des durch Ziehen auf die entsprechende Quor.'schnittsgestalt gebrachten Vor formlinge werden anschliessend in Stücke unterteilt, deren Länge etwa dem Gesamtdurchmesser des gezogenen, aus Stab und Umhüllung bestehenden Vorformlings entspricht.. Diese Stücke werden sodann einem Schleif- und einem Poliervorgang entsprechend der Behandlung von Kugellagerkugeln unterzogen, bis sie eine Kugelgestalt mit einem Radius erhalten, welcher der erwünschten Krümmung der einander gegenüberliegenden Stirnflächen der endgültigen Linsen entspricht. Die verbleibenden Reste des auslaugbaren Glases werden sodann entfernt, so dass längliche bikonvexe Linsen übrig bleiben. Durch eine quer zur Achse verlaufende Unterteilung im Mittelbe-

■ reich und eine Oberflächen-Feinbehandlung der flachen Stirnflächen erhält.man plankonvexe Linsen.

' . Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläute-' rung der Erfindung. · ·

Fig.l zeigt die Zusammensetzung von Materialien zu einem Vorformling und die vorbereitenden Schritte zur Herstellung von Linsen nach dem erfindungsgemässon Verfahren;

Fig.2 und Fig.3 ■ erläutern weitere zur praktischen Durchführung des Verfahrens geeignete Schritte;

Fig.4 zeigt einen Querschnitt einer teilweise fertiggestellten Linse;

Fig.5 und Fig.6 erläutern die Fertigstellung der Linse von Fig.4; " ·

Fig.7 zeigt eine Seitenansicht der fertigen Linse;

Fig.8 zeigt eine ähnliche Ansicht von einer abgewandelten Ausfuhrungsform der. in Fig.7 gezeigten Linse; Fig.9 zeigt eine Variante für die Zusammenstellung der Materialien zur Bildung des· Vorformlings, aus dem Linsen nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden;.

Fig.10 zeigt eine weitere Variante für eine Zusammenstel-■ lung von Materialien zu einem Vorformling;

Fig.11 zeigt im Querschnitt eine teilweise fertiggestellte Linse bei Verwendung des Vorformlings von Fig.10/ ' · ' . ·

Fig.12 zeigt einen Querschnitt der in Fig.11 gezeigten ■ Linse nach Fertigstellung derselben; Fig. 13 zeigt eine Variante der in Fig. 1.2 gezeigten Linse.

-s- ■ ■

Zur Herstellung von Mikrolinsen, dh. von Linsen, die beispielsweise einen Durchmesser von 1,ο mm oder darunter aufweisen,, werden zunächst verschiedene Materialien■zu einem Vorformling·10 zusammengesetzt, wie dies in Fig.1 ■ angedeutet ist. Der Vorformling 10 besteht vorbehaltlich einer Vielzahl von Varianten, die im folgenden noch näher erläutert werden, aus einem mittig verlaufenden Glasstab 12, dessen Glas die für die Linsen erwünschten Eigenschaften aufweist. Der Stab 12 wird von einer dicken Wändung aus säurelöslichem Glas 14 umgeben sowie einem äusseren Glas-' rohr 16 aus einem mit den anderen Gläsern verträglichen Glas, das die anderen·Gläser als Art Behälter aufnimmt. Die Anbringung des Rohres 16 erlaubt die Verwendung eines Vakuums, um die Bedingungen zum Schmelzen und Ziehen des

15' aus dem Stab 12 und dem'auslaügbaren Glas 14 gebildeten Vorformlings 10 zu verbessern. Das Rohr 16 kann jedoch weggelassen werden,.wenn man sich entschllesst, den Ziehvorgang ohne ein Vakuum durchzuführen, oder wenn das auslaug-· bare Glas 14 in. Form .eines Rohres ans.telle der in Fig.1 gezeigten fassdauben- b.zw... kreisringzylindersegmentartigen • Stücke vorliegt. · · . ' .

Der Vorformling 10 wird in Längsrichtung durch eine Heizzone hindur'chgeführt, die beispielsweise von Heizspulen 18

25.· gebildet ist, und in der. dargestellten Weise gezogen, bis ■or eine, verringerte Querschnittsgestalt aufweist, deren ra- ;d.iale Dimension etwas grosser ist. als der Radius; der letztlich erwünschten Ob er fläch enkr ümmun.g bei.der herzustellen- · den Linse·. Der durch Ziehen auf die reduzierte Querschnittsdimension gebrachte Vorformling, der'hier durch das Bezugszeichen 20 angedeutet ist, kann, falls dies gewünscht ist, auch einer Temperbehandlung unterzogen'werden. Bezüglich. · Einzelheiten d&s Ziehvorgangs, wird-.auf die US-Patente •2 980 957, 3 037 241 und 3 989 495 verwiesen. Der auf die '

wermindef.te .Q'ußrjsGhii;Lt£sg'es"t;-a'iji/ausgezogene,·· durch dar, .Bezugsz.eiphen 20 angödeute V-o-riorraling. wird anachllfeskend ' ' .qufir zu s.einer .LMrygs.aeh'se-i.n Stücke -22. uniterteilt, dö'ren . Lä.ng'iäausdehnung·, etwas.·, gröss'er. iό·ΐ- als ihr'-DurQhraess'erv, ·■ Diese -'Stücke' 22·. werden .durch -Schleifen'öder. eine, andere ·.

■Behandlung zu' grob kugelförmigen Veiieii,--'wie tri. $jL<i,2-. .' ■ dargestellt, weiterverarbeitet* Dies. k'a'rin -beispielsweise durch, gemeinsames Böwegen mit 'lö's.ett, · mattierialabhebendön ·. Mitteln i_;n einer .K'ugeXinüh'le -er.folgen·.' Wenn das- Rohr 16 ."' 10" · verwendet wi-rd, ertolgt hi.«rb.cii aii'mindeat' teilweise Ent-. ' -.-■ ." fernung desselbenf- scy class zvimt-rid^at. der· Hauptbereich,· -, · . -wenn nicht' der■ "gesjauiite Jiereich des" 3Mure löblich en Glases.' 14 und die entgegijävyeise.t^ten-Endon des Stabes'--·Γ2 fre.ilie·- ; gen. ··. ' ·.,.■·..:"' . . ·■;...; '■'..'. ■ ·'. ... : ;^: "\5..:~ ..' .·..;·■=·..:' ■· '■ '■■' ''- /':.< ■ ./■ "..'.;.":.; . · ; * ' ■

Die'kucjelförwj..gen. ¹XOiIe' 22. werden .-'anschliessiend· durch .'i'n- / ^; .' rechtschleifen undJßolitsreh»- zu ü)£.akten_: Ku'geln '22a gern.· Fig.-.3 geformt.' Hierzu' kann diet bakaun-to LHiDpr-Ttachnik für di'e Fertigbeärbeitung· von Kugel.laiger,n verviiendet werden, wie 2.0 _: sie beispielsweise in "Fig..3· arigedeutet. ist, bei der die. Ku-.-ge.ln wie ancjecieutet -.zwischen-'-zwei·'ebenen Flächen gerollt werden.'· ^.uf diestt Vioise werden zv/oi e'iriarider .geg-enüberliegende ."sphärische Liriij-en^Stirfiflache.n im Glas 14 ■ gebildet, '■·" wie dius in den'Fi''/, 3 und -4 da,':9c·:3tη 11 f. I^-St..' Daii. v«j:b"le i - ·" bande GIaOStUCk^-I-InIIt' den''beiden. Stirnf l.äciien 2 4 wir el im. folgenden als Linse.; L- bo^ciichnet. ' .*.-.'

Die sphärischen Abschnitte, dh. die Kugeln' 22a, werden anachliesse'nd in ein Auälaugmedium eingebracht, um die Reste ■ des löslichen Glases 14 zu entfernen und die-Linse L fertigzustellen. Dies kan.n dadurch geschehen, ■ dass man die Kugeln .22a in eine Auslauglösung 26 gemäss Fig. 5 über eine Zeitdauer einbringt, die ausreicht, um das Glas 14..aufzu-. lösen.. Dies ist in Fig. 6 durch die Strich.lierung angedeutet.

Ι Die verbleibende Linse L ist in jedem Fall bikonvex, dh. sie hat sphärische Stirnflächen 24, wie dies in Fig.6 und Fig.7 angedeutet ist. Sie kann jedoch quer zu ihrer Längsachse, beispielsweise gemäss der Linie 28 unterteilt werden, damit eine plankonvexe Linse bzw. ein Paar plankonvexer Linsen entsteht, die in Fig. 8 rait L.. bezeichnet sind.

In diesem. Fall wird jede der Planflächen 30 in üblicher Weise optisch poliert. Die Stirnfläche 30 kann, falls dies erwünscht ist, auch unterschiedlich geformt werden. Es versteht sich, dass die bei einer praktischen Durchführung des Verfahrens verwendeten Glaser irgendeine Kombination aus geeigneten, kommerziell erhältlichen Glasgemischen sein können. Ein typisches Beispiel für ein Glas zur Her-■ stellung von in Endoskopen verwendeten Mikrolinsen ist das kommerziell erhältliche, als "Schott Type BK-7" bezeichnete Glas, das von Schott Glass, Inc., Duryea, Pennsylvania, USA, geliefert wird. Geeignete lösliche, dh. auslaugbare Gläser sind in den US-Patentschriften 3 004 368, 3 624 und 3 653 739 zu finden.

. Der Fachmann kann selbstverständlich auch weitere Gläser und Kombinationen für die entsprechenden Zwecke geeignet 5 auswählen.

Flg.9 zeigt eine Variante eines Vorformlings 10a, der anstelle des Vorformlings 10 verwendet werden kann. In diesem Fall kommt eine rechteckförmige Zusammensetzung aus Gläsern zur Anwendung, um quadratische Abschnitte zu erzeugen, die zu Kugeln weiterverarbeitet werden. Der Vorform-•ling 10a enthält einen Stab 12a aus einem Glas für die

eigentliche Linse, um den dreieckförmig verlaufende Abschnitte 14a aus löslichem Glas herum in Art einer Umhüllung angeordnet sind.

'Eine weitere Variante der Erfindung ist in den Fig.10 bis 13 dargestellt. Hier werden Linsen L„ und L aus einem Vorformling 10b hergestellt, der einen Kern 12b aus dem für die eigentlichen Linsen gedachten Glas, ein Rohr. 32 aus einem lichtabsorbierenden Glas und eine Umhüllung 3 4 aus einem auslaugbaren Glas sowie ein weiteres zum Zusammenhalt der Anordnung dienendes Rohr 36 enthält. Anstelle des Rohrs 32 können auch fassdaubenartige bzw. kreisringzyl'iridersegmentartige Teile aus lichtabsorbierendem Glas verwendet werden. Wie im Falle der Vorformlinge 10 und 10a werden bei dem Vorformling 10b alle Gläser 12b, 32, 34 und 36 gem. Fig.10 so ausgewählt, dass.sie bezüglich der Ausdehnungskoeffizienten und Erweichungstemperaturen miteinander derart verträglich sind, dass der Vorformling 10b einer Zonenerhitzung und einem Ziehen in entsprechender Weise unterzogen werden kann, wie dies für den Vorformling 10 in Fig.1 dargestellt ist. Sobald der Vorformling 10b soweit gezogen ist, dass das Glas 12b der erwünschten Linsengrösse entspricht, und nachdem anschliessend Stücke desselben zu den Kugeln 22a weiterverarbeitet wurden, erfolgt eine Fertigstellung zu der in Fig.12 gezeigten.Linse L_ durch Abätzen oder Ablaugen des Glases 34, wobei jedoch das lichtabsorbierende Glas 32 auf der Linse L„ verbleibt. Das Glas 32 verhindert unerwünschte Reflexionen von den Kanten der Linse L-. . ■ ■

Geeignete lichtabsorbierende Gläser sind in der US-PS 3 901 718 beschrieben.

•12-

In entsprechender Weise, wie dies vorstehend für die Herstellung der Linse L: beschrieben war, lässt sich durch eine Unterteilung quer zur Längsachse der mit der Umhüllung überzogenen Linse L₂ und anschliessende optische Behandlung der Schnittfläche eine mit einer Umhüllung versehene plankonvexe Linse L₃ erzielen, wie sie in Fig.13 dargestellt ist.

Claims

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Zugelassen bei den deutschen und europäischen.Patentbehörden '

Rüggenstraße 17 · D-8000 München.19

22. März 1982 A 1761-D

American Optical Corporation, 14, Mechanic Street,
Soüthbridge, Mass. 01550 / USA

Verfahren zur Herstellung von Linsen und Linsen

Patentansprüche

[jy. Verfahren zur Herstellung von' Linsen, insbesondere Mikrolinsen,

gekennzeichnet durch folgende Verfahronsschritte:

Zusammensetzen eines Vorformling« aus; verschiedenen — 25 Gläsern, enthaltend einen Stab aus einem die Linse

bildenden Glas, dessen Durchmesser grosser ist als der . erwünschte Durchmesser der fertigen Linsen, und eine

diesen umgebende Umhüllung aus einem auslaugbaren Glas; - Erhitzen und Ziehen des Vorformlings, bis eine verminderte Querschnittsgestalt erreicht ist und' der Stab

■2-

einen Durchmesser erhalten hat, der dem erwünschten Linsendurchmesser entspricht;

Unterteilen des ausgezogenen Vorforitilings quer zu seiner Längsachse in eine Anzahl von Stücken, deren Länge annähernd dem Durchmesser des ausgezogenen Vorformlings entspricht;

Zurechtschleifen der Stücke zu Kugeln mit Radien, welche den erwünschten Krümmungsradien an zumindest • einer Stirnfläche der jeweiligen Linse entsprechen; -. Entfernen der Reste von auslaugbarem Glas von den Stükken zwecks Freilegung der von dem Glas der Stücke gebildeten, mit"zumindest einer sphärischen Stirnflächeversehenen Linsen; und
Polieren der sphärischen Oberflächen der Linsen, wobei.

dieser Verfahrensschritt nach dem Zurechtschleifen der · Stücke durchgeführt wird.

2. Vorfahren nach Anspruch ' 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling mit einem ausserhalb des auslaugbaren Glases angebrachten Glasrohr umgeben wird, welches die Herstellung der Linsen während des Erhitzens und Ziehens unterstützt, und dass das Glas dieses Rohres während des Zurechtschleifens der Teile zu einer sphärischen Gestalt entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Htab zwischen diesem und die Umhill lung aus auslaugbarcm. Glas eine zusätzliche Glasschicht aufgebracht wird, welche in sie eintretendes Licht absorbiort und ein verbleibendes Element der Linsen bildet.

-3-

.4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen mit entgegengesetzt gerichteten konvexen Stirnflächen zwischen diesen in kürzere Längsstücke unterteilt werden.

· ■ '

5. Verfahren nach Anspruch 4,.dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine Unterteilung quer zur Längsachse entstehenden Schnittflächen poliert werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das .Zurechtschleifen der Teile zu Kugeln über eine erste Grobbearbeitung erfolgt, in- dor eine annähernd sphärische Gestalt erzielt wird, und eine anschliessende Feinbearbeitung, mit der die Stücke durch Läppen in ihre endgültige Kugelform gebracht werden..

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinbearbeitung in entsprechender Weise wie die Fertigbearbeitung von Kugellagerkugeln erfolgt.

8.' . Linse, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche, •gekennzeichnet durch einen länglichen zylindrischen Linsenkörper (L) und zumindest eine axialzentrierte sphärische' Stirnfläche (24) mit auf optische Qualität fertig bearbeiteter Oberfläche.

9. Linse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche zylindrische Linsenkörper (L) entgegengesetzt gerichtete axialzentrierte sphärische Endflächen (24) aufweist.

10. Linse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien der Endflächen (24) gleich sind und der Abstand zwischen diesen dem doppelten Krümmungsradius eiitspricht.

11.. Linse nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine plankonvexe Ausbildung derselben, wobei die Planfläche.(30) senkrecht zur Linsenachse verläuft.

.12. Linse nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich des zylindrischen Linsenkörpers (L) mit einem lichtabsorbierenden überzug (3 2) versehen ist.