DE3300576A1

DE3300576A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines optischen bauteils, insbesondere eines metallreflektors

Info

Publication number: DE3300576A1
Application number: DE19833300576
Authority: DE
Inventors: Helmut Rebstein Pech
Original assignee: Wild Heerbrugg Ag 9435 Heerbrugg; Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1982-01-13
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1983-07-21
Also published as: CH657212A5; DE3300576C2; JPS58125640A; SE8207285D0; SE8300094D0; US4489107A; SE8300094L

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors sowie eine Vorrichtung hierzu. .

Reflektoren werden allgemein für elektro-optische Distanzmessungen verwendet. Hierbei hat sich herausgestellt, daß Reflektoren mi t geringen Herstellungskosten aus Kunststoffen hergestellt werden können. Ihre Nachteile liegen darin, daß sie sich deformieren und daher ungenau sind. Aus diesem Grunde können solche Reflektoren nur für sehr kleine Reichweiten bei der elektro-optischen Distanzmessung verwendet werden.

Man versuchte, Reflektoren aus Glas herzustellen, die eine wesentlich bessere Genauigkeit besitzen und daher für grössere Reichweiten bei der elektro-optischen Distanzmessung verwendbar sind. Allerdings sind solche Reflektoren in der Herstellung sehr teuer.

Es wurden auch Reflektoren aus Metall-Kunststoff-Material hergestellt. Diese als Hybride bekannten Reflektoren werden bekanntlich im Gießverfahren hergestellt. Sie sind

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schon etwas genauer als die reinen Kunststoff-Reflektoren. Allerdings sind sie in der Herstellung auch teurer als die reinen Kunststoff-Reflektoren.

Die Aufzählung der bekannten Reflektoren aus verschiedenen Materialien zeigt, daß genaue und präzise Reflektoren nur sehr teuer hergestellt werden können. Daher mußte man bisher immer gewisse Nachteile in Kauf nehmen und für größere Reichweiten mit teuren und für kleinere Reichweiten mit billigen Reflektoren arbeiten. Für eine mittlere Reichweite existierten keine Reflektoren. Daher ist der Benutzer gezwungen, die sehr teuren Reflektoren auch für die sogenannten mittleren Reichweiten zu verwenden.

Es wird auch darauf hingewiesen, daß die elektro-optische Distanzmessung zur immerwährenden Überprüfung von Staumauern und Gletschern einschließlich lawinengefährdete Gebiete benutzt wird. Es besteht das Bedürfnis, die elektrooptischen Geräte für die Distanzmessung permanent an ihren Prüforten zu installieren. Dies konnte jedoch bis heute nicht durchgeführt werden, da die einzelnen Geräte, insbesondere die Reflektoren, viel zu aufwendig und damit zu teuer sind.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Herstellung eines Metallreflektors zu ermöglichen, der die beiden sich gegenseitig ausschließenden Bedingungen, Präzision und einfache und damit billige Herstellung, vereinigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen definierten Merkmale gelöst.·

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im einfa- '

chen und damit preiswerten Herstellungsverfahren und in der Verwendungsmöglichkeit derart hergestellter Reflektoren auch für mittlere Reichweiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsge-• mäßen Verfahrens,

Fig. 2a, 2b den Aufbau eines Metallreflektors, Fig. 3 die optische Funktion des Metallreflektors,

Fig. 4 und 5 die Anordnungen einzelner, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prismen zu Prismenblöcken,

Fig. 6 das Phasendiagramm für eine als Beispiel gewählte Zweikomponentenlegierung zur Herstellung des Metallreflektors.

Fig.l zeigt eine Kammer 1 mit einer Zufuhr 2 für das inerte Gas, das durch den Ausgang 3 wieder austreten kann. In der Kammer 1 befinden sich Infrarot-Heizungskörper, die nicht besonders eingezeichnet sind. Diese Heizungskörper heizen die Temperatur in der Kammer 1 auf einen Bereich, der unterhalb des Schmelzpunktes der Metallegierung liegt, die später noch näher diskutiert wird. Der Temperaturbereich bewegt sich in der Praxis zwischen 70° Celsius und 150° Celsius. Dieser Temperaturbereich wird konstant eingehalten. Der Infrarot-Meßfühler 4 gibt seine elektrischen Signale auf eine nicht gezeichnete Regeleinrichtung, die die Heizvorrichtungen entsprechend regelt.

Eine Spritzeinrichtung 5, die als Spritzpistole ausgebildet

ist, erhält durch den Anschluß 51 das für die gewünschte Metallegierung notwendige Material. In der Spritzpistole 5 befindet sich eine Heizeinrichtung, die die Metallegierung auf die gewünschte Temperatur bringt und konstant hält. Die Metallegierung im vorliegenden Beispiel ist Zinn-Wismut mit geringem Anteil von Cadmium (im Beispiel weniger als 1 %, bevorzugt 0,8 %) und hat eine Schmelztemperatur von 150° Celsius. In der Spritzpistole 5 muß daher die Temperatur im Bereich von der genannten Schmelztemperatur gehalten werden. In der Fig. 6 ist das Phasendiagramm für reine Zinn-Wismut-Legierung, also ohne Cadmium-Anteil, mit den Schmelztemperaturen in Abhängigkeit vom Gewichtsverhältnis der einzelnen Komponenten aufgeführt.

Die Spritzpistole 5 besitzt einen Einlaß 52 für ein Treibgas. Das Treibgas kann ein Edelgas sein, wie es in der Gruppe 0 des periodischen Systems aufgeführt ist. Das Treibgas kann auch aus mehreren dieser Edelgase zusammengesetzt sein. Im bevorzugten Beispiel wird Argon verwendet. Ein solches inertes Treibgas vermeidet eine unverwünschte Oxidbildung in der Metallegierung. Die flüssige Metallegierung wird durch Betätigen des Auslöseknopfes 53 auf ein als Form dienendes Glasprisma 6, das auf der Dreheinrichtung 7 aufgespannt i:3t, gespritzt. An dieser STelie sei darauf hingewiesen, daß das Glasprisma zum Beispiel aus Bor-Kron-Glas hergestellt wurde. Die räumlichen Maße sind ungefähr 20 mm Höhe und 20 mm Breite. Selbstverständlich können auch andere Glassorten für die Herstellung des Prismas 6 benutzt werden. Das Glasprisma 6 wird auf den Teller 71 der Dreheinrichtung 7 gespannt. Eine solche Spanneinrichtung kann zum Beispiel eine Schraube 72 sein, die von unten eingeführt an der Grundfläche des Glasprismas angeklebt wird. Da dies allgemein bekannt ist, ist diese Spanneinrichtung in Fig. 1

nur symbolisch eingezeichnet. Die Dreheinriohtung 7 wird nun durch einen Antrieb in eine Drehbewegung versetzt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind 11 Umdrehungen pro Minute vorgesehen. Die Umdrehungszahlen können je nach Fall zwischen 5 und 35 Umdrehungen pro Minute liegen.

Die Vorteile des Glasprismas als Spritzform liegen in der hohen Maßhaltigkeit unter Temperatureinflüssen, seiner guten Herstellbarkeit und in seinem, für den Erstarrungsverlauf der aufgespritzten Metallegierung optimalen Wärmeleitverhalten.

Die Spritzeinrichtung 5 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an einer Bewegungseinrichtung 8 beweglich angeordnet. Diese Bewegungseinrichtung enthält am oberen und unteren Ende je einen Endschalter 84, 85, der die Hubbewegungen nach oben und nach unten beschränkt. Die Spritzpistole 5 ist an einer Klemmeinrichtung 82, 86 befestigt, die den Spritzwinkel bestimmt. Von wesentlicher Wichtigkeit ist, daß der Spritzstrahl 54 im rechten Winkel auf die Oberfläche des Glasprismas 6 auftrifft. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß der Winkel zwischen der Oberfläche des Glasprismas 6 und der Drehachse des Befestigungsteilers 71 gleich sein muß dem Winkel zwischen dem Zentrum des Spritzstrahls 54 und der horizontalen Ebene. Die so eingestellte Spritzpistole wird nun in eine im wesentlichen vertikale Relativbewegung parallel zu den Oberflächen des Glasprismas 6 versetzt. Die beiden Umkehrpunkte oben und unten dieser vertikalen Bewegung sind gekennzeichnet durch die beiden Endschalter 84 und 85. Die Dreheinrichtung 7 wird in Kreisbewegung entsprechend dem Pfeil versetzt. Das Glasprisma 6 bewegt sich im Beispiel mit 11 Umdrehxangen pro Minute. Die Bedienungsperson betätigt nun den Abzugsbügel 53 der Spritz-

pistole sowie den Startknopf für die Bewegungseinrichtung Die Spritzpistole wird mit kontinuierlicher Geschwindigkeit zwischen dem unteren und dem oberen Endschalter hin- und herbewegt. Die beiden Endschalter 84 und 85 werden so eingestellt, daß die Spritzpistole nur dann ihre Bewegungsrichtung umkehren kann, wenn der Spritzstrahl 54 der Metallegierung sich außerhalb der Flächen des Glasprismas 6 befindet. Die Metallegierung wird nun in mehreren Schichten auf das Glasprisma-6 aufgetragen. Dabei wird auch Metallegierung auf die Grundfläche des Befestigungstellers 71 der Dreheinrichtung 7 aufgetragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ca. 4 - 6 mm Metallegierung auf das Glasprisma 6 und auf die Befestigungsfläche 71 gespritzt. Dann wird der Spritzvorgang beendet. Das Spritzteil 9, das das Glasprisma 6 und den Befestigungsteller 71 überzogen hat, wird von beiden entfernt.

Mit der im bevorzugten Beispiel verwendeten Metallegierung (ca. 60 % Wismut, 0,8 % Cadmium-Anteil), welche einen Schmelzpunkt (im Bereich des Eutektikums) von 150° C aufweist und mit einem Spritzdruck von ca. 4 atü (5 bar) bei einem lotrechten Abstand von 10 bis 15 cm, vorzugsweise annähernd 12cm zwischen Prismenfläche und Spritzdüse, und mit eine-r Umgebungstemperatur innerhalb der Kammer L von 80° C auf das Glasprisma 6 gespritzt wird, lassen sich besonders gute Oberflächenqualitäten am Spritzteil 9 erzielen. Dabei spielen die Wärmeleiteigenschaften des Formkörpers eine entscheidende Rolle. Im vorliegenden Fall hat sich Bor-Kron-Glas besonders gut bewährt, wobei das verwendete Glasprisma auf einem wärmeableitenden Befestigungssockel aus einem Metall aufgekittet'ist, dessen Wärmeleitungseigenschaften möglichst nahe an denjenigen für Bor-Kron-Glas liegen. Dazu eignet sich beispielsweise eine Ni-Fe-Legierung ("Invar"). Dadurch

werden Wärmespannungen innerhalb der Glasform vermieden, welche die Formhaitigkeit nachteilig beeinflussen könnten. . In ihrer Gesamthei L ergeben die Maßnahmen eine besonders gute Reproduzierbarkeit der Glasform am Spritzteil 9 sowie eine besonders gleichmäßige Oberfläche am Spritzteil 9.

Das Spritzteil 9 hat die" in der Fig. 2a gezeigte Form. Die reflektierenden Flächen des Spritzteils 9 zeigen nach unten und sind daher in der Fig. 2a nicht sichtbar. Das Spritzteil 9 besteht ferner aus der Fläche 91. Die Ecken des Prismas sind abgestumpft, .so daß die entsprechenden Ecken 92 des Spritzteils & die in der Fig. 2a gezejgte Form haben. Dies hat sich als nützlich erwiesen beim Entformen des Spritzteils 9 vom Glasprisma 6. Vor der praktischen Verwendung des Metallreflektors 9 wird die Fläche 91 entfernt. Sie diente nur zum Herstellen gleichmäßiger Spritzteile 9 und zum besseren Ablösen von der Form.

Die Reflexionsfläche des Spritzteils bzw. Metallreflektors 9 kann jedoch noch weiter bearbeitet werden. Dies ist zum Beispiel in Fig. 2b -gezeigt.

Die Fig. 2b zeigt einen Ausschnitt aus dem Metallreflektor 9, der an der reflektierenden Fläche eine aufgedampfte Schicht 94 aus zum Beispiel Chrom oder Nickel enthält. Dies ist eine sehr gute Diffusionssperre gegenüber der nächsten Schicht 95, die ebenfalls aufgedampft wird und aus dotiertem Gold besteht. Diese Schichten können auch galvanisch und/oder chemisch aufgebracht werden. Die Goldschicht hat den besonderen Vorteil der extrem guten Reflexion, aber den Nachteil, daß sie aufgelöst wird durch das Material 9. Deswegen ist eine Diffusionssperre 94 besonders vorteilhaft.

Die Dicken der Schichten 94 und 95 bewegen sich im Bereich

von 100 - 500 nm.

Die Goldschicht kann auch vor Aufspritzen der Metallegierung direkt auf das Glasprisma aufgedampft werden, worauf die Metallegierung direkt auf die Goldschicht aufgespritzt wird. In diesem Fall ist keine Diffusionssperre erforderlich. Vielmehr verbessert das in die Metallegierung diffundierende Gold die Reflexionseigenschaften der Metalloberfläche auf beispielsweise 95 %, während dar; Reflexionsvermögen der nicht mit Gold behandelten Metalloberfläche bei 80 % liegt. Außerdem läßt sich der Metallreflektor leichtker vom Glasprisma trennen. Schließlich bildet das Gold einen hervorragenden Korrosionsschutz.

Die Fig. 3 zeigt die Funktionsweise eines Metallreflektors bei der elektro-optischen Distanzmessung. Der vom Sender des Distanzmessers kommende Strahl 10 wird an der ersten Fläche gestreut. Hierdurch wird der Winkel der zum Empfänger des Distanzmessers zurückkehrenden Strahlen vergrößert, so daß die Distanzmessung wesentlich einfacher bei jeder Witterung durchgeführt werden kann. Eine solche Streuung der zum Empfänger zurückkehrenden Strahlen ist nur bei dem nach dem Verfahren der Fig. 1 hergestellter! Me f.allref lektor möglich.

In der Fig. 4 ist ein Metallreflektor 11 dargestellt, in den drei Eirizelprismen bzw. Reflektoren 9 eingearbeitet sind. Mit dieser Vergrößerung der Gesamtreflexionsflache wird bei gleicher Leistung der Meßvorrichtung die Reichweite elektro-optischer Entfernungsmesser erhöht.

In Fig. 5 sind fünf einzelne Metallreflektoren 9 zu einem

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sogenannten Band v<>n Reflektoren zusammengesetzt. Dies wird aus dem gleichen Grunde gemacht wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 dargestellt wurde.

Außer den in der Fig. 6 dargestellten Metallegierung mit den Komponenten Wismut und Zinn können auch Metalllegierungen mit anderen Komponenten benutzt werden.

Leerseite

Claims

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PATENTANWALT DlPL.-PMYS. LUTZ ι- PRÜFER ■ D-HOOO MÜNCHEN UO

EZ 25-2640 P/hu

Wild Heerbrugg Aktiengesellschaft, Heerbrugg / Schweiz

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors

PATENTANSPRÜCHE

Ml/ Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- eine Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt wird

innerhalb einer inerten Atmosphäre, welche eine unterhalb des Erstarrungspunktes der Metallegierung liegende . Temperatur aufweist, auf ein um seihe Achse angetriebenes Glasprisma (6) in mehreren Schichten aufgespritzt;

- mindestens die die Basis des Prismas begrenzenden Rän-

der werden zum Erzielen überstehender Partien an dem entstehenden Spritzteil überspritzt;

die Spritzeinrichtung (5) wird so eingestellt, daß der Strahl der Metallegierung möglichst senkrecht auf die Flächen des Glasprismas (6) auftrifft.

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRUFf R ■ D-HO(JO MÜNCHEN OO . WtLLNOIDKRSTH B ■ TEL. (OB9) 640Θ4Ο

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Glasprisma (6) auf einer Dreh- und Entformungseinrichtung (7) befestigt wird und die Metallegierung auf den Befestigungsteller (71) dieser Einrichtung gespritzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erstarren der Metalllegierung auf den Flächen des Glasprismas (6) und des Befestigungstellers (71) der Dreh- und Entformungseinrichtung (7) das erstarrte Spritzmaterial vom Glasprisma getrennt wird.

Ak Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Glasprisma (6) gerichtete Spritzeinrichtung (5) und das Glasprisma (6) so in einer Richtung annähernd senkrecht zur Spritzrichtung relativ gegeneinander hin- und herbewegt werden, daß die Umkehrpunkte für den relativ bewegten Spritzstrahl außerhalb des Glasprismas liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das der Spritzeinrichtung (5) zugeführte Treibgas zum Transport der Metallegierung aus einem oder mehreren Gasen der Gruppe 0 des periodischen Systems besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Wismut-Zinn-Metallegierung mit ca. 60 % Wismut-Anteil verwendet wird, daß die Temperatur innerhalb der Kammer (1) auf ca. 80° C gehalten wird und daß die Metallegierung auf die aus Bor-Kron-Glas bestehende Form mit einem Förderdruck von ca. 5 bar aufgespritzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß vor Aufspritzen der Metallegierung auf das Glasprisma eine dünne Goldschicht auf das Glasprisma aufgedampft wird, welche in die Oberfläche der darauf gespritzten Metallegierungsschicht e.indif fundiert und das optische Reflexionsvermögen der Oberfläche verbessert.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

eine Dreh- und Entformungseinrichtung (7), welche einen mit einem Spannorgan versehenen Drehteller (71) zur Aufnahme des Glasprismas (6) enthält, wobei der Drehteller eine Fläche besitzt, die wesentlich größer ist, als die aufzunehmende Fläche des aufzusetzenden Glasprismas.

- eine Halterung (72) für die Spritzeinrichtung (5) mit:

a) einer Klemmeinrichtung (82, 86) zum Einstellen des Spritzstrahls senkrecht zu den Flächen des Glasprismas , und

b) einer Bewegungseinrichtung (8) zur Steuerung der

hin- und hergehenden Bewegung der Spritzeinrichtung relativ zu den Prismenflächen, wobei wenigstens der Umkehrpunkt der Bewegung auf der Seite der Basis des Glasprismas außerhalb des Glasprismas (6) liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung^) Endschalter (84, 85) zur Steuerung der Bewegungsumkehr aufweist, welche so angeordnet sind, daß während der Bewegungsumkehr die Flächen des Glasprismas (6) nicht bespritzt werden.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasprisma aus Bor-Kron-Glas besteht und daß es auf einen Sockel aus einem Material mit verwandten Wärmeleitungseigenschaften, vorzugsweise aus einer NiFe-Legierung, aufgekittet ist.