DE4413989C2 - Verfahren zur Herstellung von Microstablinsen für Lasereinrichtungen und Umformvorrichtung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mi­ krostablinsen für Lasereinrichtungen, wobei ein Glasstab im erwärmten Zustand umgeformt wird. Die Erfindung betrifft zudem eine Umformvorrichtung zur Herstellung eines Stablinsenkörpers für Mikrostablinsen für Lasereinrichtungen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.

Das Walzen von Glasröhren oder Glasstäben in beliebigen Zylin­ derquerschnitten ist aus der DE-PS 5 45 449 oder JP-A-3-12332 bekannt.

Für den Einsatz von Hochleistungsdiodenlasern sind Stablin­ sen erforderlich, die das aus den Laserdiodenarrays emit­ tierte Licht bündeln. Die Größe dieser Linsen ist dabei ab­ hängig von der notwendigen Form der optischen Funktionsflä­ che, die entsprechend der spezifischen Ausführung des Diodenlasers gestaltet sein muß, im allgemeinen sehr klein.

Derartige Linsen werden herkömmlicherweise durch Pressen oder auch dadurch hergestellt, daß ein Glasstab nach ent­ sprechender Erwärmung durch Ziehen in die gewünschte Form gebracht wird. Eine Herstellung der Mikrostablinsen auf eine derartige Weise ist jedoch aufgrund der geringen Größe der Stablinsen und der notwendigen hohen Formgenauigkeit und Oberflächengüte sehr mühsam und aufwendig, wodurch eine Großserienfertigung solcher Linsen behindert und dadurch der Preis solcher Linsen sehr hoch ist.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostablinsen für Lasereinrichtungen sowie eine Umformvorrichtung hierfür zu schaffen, wodurch derartige Linsen wirtschaftlich und hochgenau herstellbar sind, so daß sie in Großserie gefertigt werden können.

Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von Mikrostablinsen für Lasereinrichtungen wird die der Erfindung zugrundelie­ gende Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Relativbewegung zwischen dem Glasstab und einem an seinem Außenumfang eine Formkontur mit einer Oberflächengenauigkeit von R_a < 5 nm auf­ weisenden Ober- und/oder Unterwerkzeug der erwärmte Glasstab zumindest teilweise in die Formkontur des Ober- und/oder Unter­ werkzeugs gepreßt wird und im Anschluß an den Umformvorgang einzelne Stablinsen von dem Glasstab abgetrennt werden.

Dadurch, daß der Glasstab, der bis zu einer von der Glassor­ te abhängigen Temperatur erhitzt wird, im viskosen Zustand insbesondere kontinuierlich in die Formkontur des Ober- und/oder Unterwerkzeugs gepreßt wird, wird die Formkon­ tur auf den Glasstab abgeformt, der dadurch die notwendige Form der optischen Funktionsflächen der Stablinsen annimmt. Der insbesondere kontinuierliche Preßvorgang reduziert dabei die zum Umformen des Glasstabes notwendigen Kräfte, da da­ durch das momentan umzuformende Volumen kleiner ist als bei einem Preßvorgang, der den gesamten Glaskörper umformt. Dem­ entsprechend reduziert sich auch die elastische Verformung des Formwerkzeugs, so daß der Abformvorgang zwischen Glas­ stab und Formkontur hochgenau ist. Hierdurch bleibt der Ver­ schleiß des Formwerkzeugs gering.

In einer besonders günstigen Ausbildung des Verfahrens wird dabei das Oberwerkzeug in Längsrichtung über den Glasstab abgerollt, wobei der Glasstab unter Fließen kontinuierlich in einen Abschnitt der abrollenden Formkontur gepreßt wird. Das Oberwerkzeug wird dabei relativ zum Glasstab translato­ risch bewegt, wobei eine überlagerte Drehbewegung des Ober­ werkzeugs das Abrollen über dem Glasstab gewährleistet. Die sich dabei ergebende Relativbewegung zwischen Glasstab und Formkontur führt zu einer anfänglich hohen Verformungsge­ schwindigkeit des Glasstabes, die sich, je stärker der Glas­ stab in die Formkontur gepreßt wird, reduziert und im Punkt der stärksten Verformung, die im Momentanpol des abrollenden Oberwerkzeugs liegt und die endgültige optische Kontur des Glasstabes repräsentiert, schließlich Null wird, da dort die Relativbewegung zwischen Formkontur und Glasstab Null ist. Die Abbildung der Formkontur auf den Glasstab wird dadurch sehr exakt und ein Trennen des umgeformten Glasstabes von der Formkontur des Oberwerkzeugs erfolgt sehr sanft, da die Relativbewegung zwischen der Formkontur des Oberwerkzeugs und dem Glasstab an der Stelle des Trennens, das unmittelbar hinter dem Momentanpol des abrollenden Oberwerkzeugs er­ folgt, sehr gering ist. Dadurch, daß das Oberwerkzeug über dem Glasstab abgerollt wird, gelingt es, die Relativbewegung zwischen Glasstab und Formkontur und entsprechend die Verformungsgeschwindigkeit des Glasstabs variabel zu machen, wobei die Bewegung des Formwerkzeugs konstant ist, so daß eine Bewegungssteuerung des Formwerkzeugs sehr einfach sein kann und Beschleunigungsvorgänge zu vernachlässigen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens wird der Glasstab durch ein als plane Gegen­ platte ausgebildetes Unterwerkzeug ohne Relativbewegung zwi­ schen Unterwerkzeug und Glasstab in die Formkontur des über dem Unterwerkzeug abrollenden Oberwerkzeuges gepreßt. Da­ durch kann der Glasstab einfach auf die plane Gegenplatte gelegt werden und wird von dieser in die Formkontur des ab­ rollenden Oberwerkzeugs gepreßt. Die abrollende Bewegung zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug kann dabei sowohl durch eine translatorische Bewegung des Oberwerkzeugs paral­ lel zur ruhenden planen Gegenplatte erfolgen, oder auch da­ durch, daß die plane Gegenplatte bewegt wird, während das Oberwerkzeug sich lediglich dreht. Dadurch, daß der Glasstab durch eine plane Gegenplatte in die Formkontur des Oberwerk­ zeugs gepreßt wird, kann eine spezielle Führung des Glassta­ bes vor und hinter dem Abschnitt, an dem die Umformung er­ folgt, entfallen, da er sicher auf der Gegenplatte ruht. Durch die plane Gegenplatte erhält der Glasstab eine halb­ sphärische oder halb-asphärische Kontur, die aus der Abfor­ mung der Formkontur des Oberwerkzeugs und der planen Unter­ seite, die sich durch die plane Gegenplatte ergibt, ent­ steht.

Nach einem anderen, besonders günstigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Glasstab durch ein als Zylinder ausgebildetes Unterwerkzeug unter Relativbewegung zwischen Glasstab und dem Unterwerkzeug in die Formkontur des Oberwerkzeugs gepreßt. Dabei wird das als Zylinder aus­ gebildete Unterwerkzeug in Längsrichtung über den Glasstab abgerollt, wobei der Glasstab in die Formkontur des zum Un­ terwerkzeug gegenläufig rotierenden Oberwerkzeugs gepreßt wird. Das Verfahren zur Herstellung von Stablinsen aus einem vorbereiteten Stablinsenkörper wird dabei besonders ge­ nau, da das Formwerkzeug zum Umformen des Glasstabes sehr einfach ist, nämlich ein jeweils ortsfestes Ober- und Unter­ werkzeug aufweist, die lediglich gegenläufig rotieren. Mög­ liche Faktoren für Formungenauigkeiten, wie Fluchtungsfehler bei translatorischer Relativbewegung zwischen Ober- und Un­ terwerkzeug, entfallen dabei. Ein Trennen des umgeformten Glasstabes vom Formwerkzeug ist durch die Abrollbewegung des Unterwerkzeugs auch von diesem sehr sanft, da die Relativge­ schwindigkeit zwischen Unterwerkzeug und Glasstab an der Stelle des Trennens entsprechend dem oben erläuterten Tren­ nen vom Oberwerkzeug sehr gering ist.

Der Preßvorgang des Glasstabes in die Formkontur des Ober­ werkzeugs durch ein als Zylinder ausgebildetes Unterwerk­ zeug, das über den Glasstab abgerollt wird, ist entsprechend einer weiteren Ausführungsform besonders günstig dann, wenn der Glasstab sowohl in die Formkontur des Oberwerkzeugs als auch in eine an einem Außenumfang des Unterwerkzeugs ausge­ bildete Formkontur gepreßt wird. Auf diese Weise können Stablinsen mit praktisch beliebigen optischen Funktionsflä­ chen hergestellt werden, so daß Stablinsen für eine Vielfalt von spezifischen Anwendungsfällen gefertigt und von dem um­ geformten Stablinsenrohling abgeschnitten werden können.

Weiterhin ist es besonders günstig, daß der Glasstab durch einen Abrollvorgang in seine endgültige Kontur umgeformt wird. Das Verfahren wird dadurch besonders wirtschaftlich, da sich die Fertigungszeit stark reduziert, da nicht nur die zusätzliche Hauptzeit weiterer Umformvorgänge, sondern auch zusätzliche Nebenzeiten wegfallen.

Dadurch, daß ein langer Glasstab (Stablinsenkörper bzw. -rohling) in die gewünschte Kontur umgeformt wird, von dem anschließend eine Vielzahl von Stablinsen der gewünschten Dicke abgeschnitten werden können, ist es möglich, aus einem durch einen einzigen Abrollvorgang umgeformten Glasstab eine Vielzahl von Stablinsen sehr wirtschaftlich und mit höchster Präzision hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften herzu­ stellen.

Darüber hinaus ist es für eine besonders wirtschaftliche, kostengünstige Herstellung der Stablinsen noch vorteilhaf­ ter, daß zumindest ein weiterer Glasstab gleichzeitig in zu­ mindest eine weitere Formkontur des Ober- und/oder Unter­ werkzeugs umgeformt wird. Dabei weist das Ober- und/oder Un­ terwerkzeug mehrere, zueinander parallele Formkonturen auf, die dann in einem einzigen Abrollvorgang des Formwerkzeugs über den ebenfalls parallelen Glasstäben auf mehrere Glas­ stäbe gleichzeitig abgeformt werden. Das derartig gekenn­ zeichnete erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die kostengün­ stige Herstellung von Stablinsenkörpern unterschiedlicher Geometrie mit hoher Produktivität in einem einzigen Arbeits­ vorgang.

Vorteilhafterweise wird weiterhin das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug vor dem Umformen des Glasstabes ebenfalls erwärmt, um die viskosen Eigenschaften des erwärmten Glas­ stabes nicht durch ein Abschrecken des Glasstabes an kalten Formwerkzeugoberflächen zu verändern, sondern gleichmäßige Umformeigenschaften des Glasstabes zu gewährleisten.

Hinsichtlich der Umformvorrichtung zur Herstellung von Stablin­ senkörpern für Mikrostablinsen für Lasereinrichtungen wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe erfindungs­ gemäß gelöst durch ein Formwerkzeug mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, wobei das Oberwerkzeug und/oder das Unter­ werkzeug an seinem Außenumfang eine Formkontur mit einer Ober­ flächenrauhigkeit von R_a < 5 nm aufweist, und das Ober- und/oder Unterwerkzeug um eine Rotationsachse drehbar ist.

Dadurch, daß das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug an seinem Außenumfang eine Formkontur der angegebenen Oberflächen­ rauhigkeit aufweist und zudem um eine Rotationsachse drehbar ist, kann der Glasstab kontinuierlich in die Formkontur gepreßt werden, die dadurch auf den Glasstab abgeformt wird, so daß der Glasstab die gewünschten optischen Funktionsflächen erhält. Da­ zu erfolgt zwischen dem Glasstab und der Rotationsachse des Oberwerkzeugs und/oder des Unterwerkzeugs eine translatorische Relativbewegung, wodurch das Oberwerkzeug und/oder das Unter­ werkzeug über den Glasstab abrollt. Das Formwerkzeug formt dabei den erwärmten Glasstab kontinuierlich um, wobei je­ weils der Abschnitt der Formkontur, der zwischen der Rota­ tionsachse und dem Glasstab liegt, den Glasstab in seine Kontur preßt. Die derartig gekennzeichnete erfindungsgemäße Umformvorrichtung weist dabei keine der fertigen Stablinse entsprechende Negativform auf, sondern erzeugt die optischen Funktionsflächen erst an einem Stablinsenkörper durch eine Drehung um eine Rotationsachse.

Dabei ist die Umformvorrichtung vorteilhafterweise derart ausgeführt, daß das Oberwerkzeug rotationssymmetrisch ist. Die Drehung des Oberwerkzeugs um eine Rotationsachse ist da­ durch gleichförmig und frei von Schwingungen.

Nach einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung ist das Oberwerkzeug ein Kreiszylinder mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden nega­ tiven Formkontur an seiner Mantelfläche. Das Oberwerkzeug kann dadurch radartig über den Glasstab abgerollt werden, wodurch dieser kontinuierlich in einen Abschnitt der umlau­ fenden Formkontur gepreßt wird. Ein Kreiszylinder ist zudem ein geometrisch einfacher Körper, der hochgenau zu fertigen ist, wodurch eine hohe Formgenauigkeit der damit hergestell­ ten Stablinse gewährleistet ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Oberwerkzeug zumindest entlang einer Achse senkrecht zur Rotationsachse bewegbar. Die Richtung dieser translatorischen Achse ent­ spricht dabei der Richtung der translatorischen Relativbewe­ gung zwischen der Rotationsachse des Oberwerkzeugs und dem Glasstab, die zum Abrollen des Oberwerkzeugs über dem Glas­ stab notwendig ist. So kann der Glasstab während des Preß­ vorgangs ortsfest gehalten werden, während das Oberwerkzeug darüber abrollt, wobei die abrollende Formkontur dem Glas­ stab seine Form gibt.

Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung ist das Unterwerkzeug eine plane Gegenplatte. In dieser Ausführungsform ist das Unterwerkzeug, durch das der Glasstab in die Kontur des Oberwerkzeugs gepreßt wird, eine Abstützung für den Glasstab. Dieser liegt während des Um­ formvorganges einfach auf der planen Gegenplatte. Zwischen der planen Gegenplatte und dem Glasstab findet während des Umformvorganges keine Relativbewegung statt, das Oberwerk­ zeug rollt demzufolge relativ zum Unterwerkzeug ab. Durch den Preßvorgang wird die plane Gegenfläche auf den Glasstab abgeformt, der dadurch eine halb-sphärische oder halb-asphärische Kontur erhält.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist das Un­ terwerkzeug rotationssymmetrisch. In diesem Fall erfolgt das Pressen des Glasstabes unter Relativbewegung auch zwischen dem Unterwerkzeug und dem Glasstab.

Hierbei ist es desweiteren im speziellen vorteilhaft, daß das Unterwerkzeug ein Kreiszylinder mit der Formkontur an seiner Mantelfläche ist und um eine Rotationsachse rotierbar ist. Nach dieser Ausgestaltung rotiert das Unterwerkzeug ge­ genläufig zum Oberwerkzeug, so daß sowohl das Oberwerkzeug als auch das Unterwerkzeug auf dem Glasstab abrollt, wobei dieser sowohl in die Formkontur des Oberwerkzeugs als auch in eine Formkontur des Unterwerkzeugs gepreßt wird. Der Glasstab wird dabei zwischen dem jeweils rotierenden Ober- und Unterwerkzeug hindurchgeführt und wird an der engsten Stelle zwischen Ober- und Unterwerkzeug in seine endgültige Kontur umgeformt. Von Vorteil ist es dabei, daß die Bewegung des Ober- und Unterwerkzeugs konstant ist, wodurch die Be­ lastung der Umformvorrichtung keine Spitzen zeigt und insge­ samt niedrig bleibt.

Die Umformvorrichtung ist ferner besonders vorteilhaft aus­ gebildet, wenn die Rotationsachse des Unterwerkzeugs paral­ lel zur Rotationsachse des Oberwerkzeugs ist. Dies sorgt zum einen für eine einfache Kinematik der Umformvorrichtung, in­ folge dessen z. B. eine einfache Synchronisation und Kopplung des rotatorischen Antriebs des Unter- und Oberwerkzeugs mög­ lich ist, zum anderen ist dies bei symmetrisch geformten Stablinsen für die Einleitung der während des Umformvorgan­ ges entstehenden Kräfte in die Umformvorrichtung günstig.

Nach einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführung ist das Unterwerkzeug zumindest entlang einer Achse senkrecht zur Rotationsachse des Oberwerkzeugs bewegbar. Im Falle, daß das Unterwerkzeug eine plane Gegenplatte ist, kann dadurch die zum Abrollen des Oberwerkzeugs über dem Unterwerkzeug notwendige Relativbewegung auch durch ein Verfahren des Un­ terwerkzeugs erfolgen. Dementsprechend kann das Oberwerkzeug ortsfest angebracht werden, was die Ausführung des rotatori­ schen Antriebs des Oberwerkzeugs wesentlich vereinfacht.

Weiterhin ist es eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung, daß das Ober- und/oder Unterwerkzeug zumindest entlang einer zweiten Achse, die senkrecht zur Rotations­ achse des Ober- und/oder Unterwerkzeugs ist, bewegbar ist. Dadurch kann sowohl der Abstand zwischen Ober- und Unter­ werkzeug justiert werden, als auch das Anlaufen des Um­ formvorganges stark vereinfacht werden. Der Glasstab wird in einen anfangs erweiterten Spalt zwischen Ober- und Unter­ werkzeug eingeführt, während dann kontinuierlich während ei­ nes Anlaufvorganges das Ober- und/oder Unterwerkzeug aufein­ ander zubewegt werden, bis ein Arbeitsabstand erreicht ist.

In vorteilhafter Weise ist das Oberwerkzeug und/oder das Un­ terwerkzeug aus Silizium. Dies gewährleistet eine hochgenaue Umformung des erwärmten Glasstabes und eine erhöhte Stand­ festigkeit des Formwerkzeugs.

Ebenso günstig ist es, die Formkontur der Ober- und/oder Un­ terwerkzeugs beschichtet auszuführen. Die Oberflächeneigen­ schaften des Ober- und/oder Unterwerkzeuges sind dadurch un­ geachtet des Materials des Formwerkzeugs zum einen an die Problemstellung anpaßbar und zum anderen ist eine erhöhte Standzeit des Formwerkzeugs erzielbar.

Dabei ist die erfindungsgemäße Umformvorrichtung derart ausge­ führt, daß die Formkontur des Formwerkzeugs eine Oberflächen­ rauhheit R_a < 5 nm aufweist. Dadurch läßt sich die für Mikro­ stablinsen für Lasereinrichtungen geforderte Oberflächengüte von R_a < 5 nm erreichen.

Zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Herstel­ lung von Stablinsen durch die erfindungsgemäße Umformvor­ richtung weist günstigerweise das Unterwerkzeug und/oder das Oberwerkzeug mehrere, in zueinander parallelen Ebenen lie­ gende Formkonturen auf. Mehrere Glasstäbe werden dementspre­ chend durch einen Abrollvorgang des Ober- und/oder Unter­ werkzeugs umgeformt. Die Fertigungszeiten für die Herstel­ lung des Stablinsenkörpers und damit für die einzelne Stab­ linse sind daher niedrig, ebenso wie die Kosten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In die­ sen zeigen:

Fig. 1 eine Umformvorrichtung in Schnittdarstellung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Umformvorrichtung in Schnittdarstellung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Oberwerkzeug in Schnittdarstellung, das mit einem Drehwerkzeug bearbeitet wird, nach einer der Ausführungsformen der Umformvorrichtung nach Fig. 1 oder 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer Umformvorrichtung mit einem Ober­ werkzeug, das von einem Drehwerkzeug bearbeitet wird, nach einem Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Umformvor­ richtung zur Herstellung von Mikrostablinsenkörpern, von de­ nen scheibenweise einzelne Mikrostablinsen für Lasereinrich­ tungen abgetrennt werden. Dabei weist die in Fig. 1 gezeigte Umformvorrichtung ein Oberwerkzeug 3 sowie ein Unterwerkzeug 4 auf, zwischen denen ein Glasstab 1 angeordnet ist. Das ro­ tationssymmetrische Oberwerkzeug ist dabei ein Kreiszylinder 3, der an seiner Mantelfläche 7 eine Formkontur 2 aufweist.

Die Formkontur 2 des Oberwerkzeugs 3 ist in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel parabolisch ausgebildet, kann jedoch entspre­ chend der gewünschten optischen Funktionsfläche des Stablin­ senkörpers und damit der einzelnen, von diesem abgetrennte Stablinse auch eine andere Form aufweisen.

Das Unterwerkzeug ist als plane Gegenplatte 4 ausgebildet, deren eine Oberfläche 10 der Mantelfläche 7 des Oberwerk­ zeugs 3 tangential gegenüberliegt.

Das Oberwerkzeug 3 ist um eine Rotationsachse drehbar und entlang einer dazu senkrechten Achse, die zu der in Fig. 1 dargestellten Schnittebene senkrecht ist, translatorisch be­ wegbar.

Der im Querschnitt gezeigte Glasstab 1, dessen Längsachse parallel zur Translationsachse des Oberwerkzeugs 3 liegt, liegt auf der Oberfläche 10 der planen Gegenplatte 4 und wird von oben durch die Formkontur 2 des Oberwerkzeugs 3 eingeschlossen. Zur Umformung des Glasstabs 1 wird das Ober­ werkzeug 3 um seine Rotationsachse gedreht und entlang der oben beschriebenen Translationsachse bewegt, so daß das Oberwerkzeug 3 über dem Glasstab 1 und dem Unterwerkzeug 4 abrollt.

Diese Abrollbewegung des Oberwerkzeugs 3 kann natürlich auch dadurch erzeugt werden, daß das Oberwerkzeug 3 lediglich sich dreht und das Unterwerkzeug 4 translatorisch entlang einer Achse senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten Schnitt­ ebene bewegt wird.

Der Glasstab 1, der auf eine von der Glassorte abhängige Temperatur vorerwärmt wird, so daß er sich im formbaren Zu­ stand befindet, wird durch das Unterwerkzeug 4 in die Form­ kontur 2 des abrollenden Oberwerkzeugs 3 gepreßt. Die Ab­ rollbewegung des Oberwerkzeugs 3 bewirkt, daß der Glasstab 1 kontinuierlich in einen jeweils der Oberfläche 10 des Unter­ werkzeugs 4 gegenüberliegenden Abschnitt der Formkontur 2 gepreßt wird. Der Stab wird entsprechend nicht im Ganzen gleichzeitig umgeformt, sondern kontinuierlich punktweise.

Dadurch sind die zur Umformung notwendigen Kräfte relativ gering, was sich sowohl auf die Beanspruchung und den Ver­ schleiß des Formwerkzeugs positiv auswirkt, als auch die Formgenauigkeit des Umformvorgangs erhöht, da die relativ niedrigen Kräfte relativ geringe elastische Verformungen des Formwerkzeugs verursachen. Der durch die Abrollbewegung des Oberwerkzeugs 3 herbeigeführte Umformvorgang zeichnet sich auch dadurch aus, daß die Relativbewegung zwischen der ab­ rollenden Formkontur 2 des Oberwerkzeugs 3 und dem auf dem Unterwerkzeug 4 liegenden Glasstab 1 an der Stelle der größ­ ten Umformung, nämlich in der Ebene des Momentanpols des ab­ rollenden Oberwerkzeugs 3, in der der Glasstab 1 seine end­ gültige Kontur bekommt, gegen Null geht. Ein sanftes Trennen der Formkontur 2 von dem umgeformten Glasstab 1 mit sehr ge­ ringer Trenngeschwindigkeit ist dadurch gewährleistet.

Zusätzlich zu der bereits beschriebenen Translationsbewegung des Oberwerkzeugs 3 oder des Unterwerkzeugs 4 kann das Un­ terwerkzeug 4 und/oder das Oberwerkzeug 3 um eine weitere Achse bewegt werden, derart, daß die Oberfläche 10 des Un­ terwerkzeugs 4 und die Mantelfläche 7 des Oberwerkzeugs 3 aufeinander zubewegt werden können, um die Größe des Spalts zwischen der Mantelfläche 7 und der Oberfläche 10 zu justie­ ren. Dies ist besonders wichtig für den Anfahrvorgang des Umformvorgangs. Dementsprechend wird der Glasstab 1 zwischen Oberwerkzeug 3 und Unterwerkzeug 4 angeordnet, wobei das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 4 in einem vergrößerten Abstand zueinander sind, der nach Anlaufen der Abrollbewe­ gung bis auf den Arbeitsabstand verringert wird.

Der Glasstab 1 wird dabei durch einen einzigen Abrollvorgang in seine endgültige Kontur umgeformt. Um die Kontinuität des Umformvorganges besser zu nutzen, ist es von Vorteil, lange Glasstäbe 1 umzuformen, von denen dann die einzelnen Stab­ linsen durch Abtrennen hergestellt werden. Die Länge dieser derartig hergestellten Linsen liegt zwischen ca. 10 bis 20 mm, ihre Breite beträgt ca. 1 bis 2 mm und ihre Höhe ca. 1 nm, jeweils abhängig von der notwendigen Form der optischen Funktionsfläche. Dabei werden Formgenauigkeiten besser 500 nm, z. B. 100 bis 200 nm, und Rauhheitswerte R_a < 5 nm er­ zielt.

Um diese hohen Qualitätsanforderungen an die Linsen zu er­ reichen, ist es von Vorteil, daß das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 4 aus Silizium ist, wobei die Formkontur des Oberwerkzeugs oder auch des Unterwerkzeugs nach dem nachfol­ gend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zusätz­ lich beschichtet ist. Die Formkontur 2 des Oberwerkzeugs 3 weist dazu eine Oberflächenrauhheit R_a < 5 nm auf.

Zusätzlich wirkt es sich auf den Umformvorgang günstig aus, wenn das Oberwerkzeug 3 und das Unterwerkzeug 4 erwärmt wer­ den.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Umformvorrichtung dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ent­ sprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Das dargestellte Formwerkzeug weist dabei in entsprechender Weise ein Oberwerkzeug 3 und ein Unterwerkzeug 5 auf, zwi­ schen denen ein Glasstab 1 angeordnet ist. Das Oberwerkzeug 3 entspricht dabei weitestgehend dem des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Das Oberwerkzeug ist ent­ sprechend ein Kreiszylinder 3, an dessen Mantelfläche 7 eine Formkontur 2 umläuft. Das Oberwerkzeug 3 ist ebenfalls um eine Rotationsachse drehbar.

Das Unterwerkzeug gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kreiszylinder 5, der an seiner Mantelfläche 8 eine Formkon­ tur 6 aufweist. Das Unterwerkzeug 5 und das Oberwerkzeug 3 sind derart zueinander angeordnet, daß ihre jeweiligen Sym­ metrieachsen zueinander parallel sind, so daß die Mantelflä­ che 8 des Unterwerkzeugs 5 der Mantelfläche 7 des Oberwerk­ zeugs 3 gegenüberliegt, so daß sich auch die Formkontur 6 des Unterwerkzeugs 5 und die Formkontur 2 des Oberwerkzeugs 3 gegenüberliegen.

Wie das Oberwerkzeug 3 ist auch das Unterwerkzeug 5 um eine Rotationsachse drehbar. Das Unterwerkzeug 5 rotiert gegen­ läufig dem Oberwerkzeug 3, wodurch sowohl das Unterwerkzeug 5 als auch das Oberwerkzeug 3 über den Glasstab 1 abrollen.

Hierzu findet zwischen dem Glasstab 1 und dem Formwerkzeug 3, 5 eine translatorische Relativbewegung statt, die entwe­ der dadurch erfolgt, daß der Glasstab 1 zwischen dem jeweils ortsfesten Ober- und Unterwerkzeug hindurchbewegt wird oder auch Ober- und Unterwerkzeug 3, 5 translatorisch entlang ei­ ner Achse senkrecht zur in Fig. 2 dargestellten Schnittebene bewegt werden.

Der Glasstab 1 wird dabei sowohl in die Formkontur 2 des über den Glasstab 1 abrollenden Oberwerkzeugs 3 als auch in die Formkontur 6 des ebenfalls über den Glasstab 1 abrollen­ den Unterwerkzeugs 5 gepreßt. Dementsprechend wird der Glas­ stab 1 doppelsphärisch oder - wie in Fig. 2 ge­ zeigt - doppel-asphärisch umgeformt, da sowohl die Formkontur 2 des Oberwerkzeugs 3 als auch die Formkontur 6 des Unterwerkzeugs 5 auf ihn abgeformt werden.

Durch das beidseitige Abrollen einer Formkontur 2, 6 wird praktisch die Fertigung jeder beiliebigen optischen Funk­ tionsfläche für Stablinsen möglich. Obwohl die Formkontur 2 und die Formkontur 6 zueinander symmetrisch gestaltet sind, können die Formkontur 2 und die Formkontur 6 auch zueinander unterschiedlich ausgebildet sein, um die optische Funktions­ fläche des Stablinsenkörpers bzw. der einzelnen Stablinsen an die jeweilige Problemstellung anzupassen.

Das Unterwerkzeug 5 und das Oberwerkzeug 3 sind weiterhin ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 translatorisch entlang einer die beiden Rotationsachsen senkrecht verbin­ denden Achse bewegbar, um den Abstand zwischen der Mantel­ fläche 8 des Unterwerkzeugs 5 und der Mantelfläche 7 des Oberwerkzeugs 3 justieren zu können, bzw. während eines An­ laufvorgangs, bei dem der Glasstab 1 zwischen die Formkontur 2 und die Formkontur 6 eingeführt wird, von einem erweiter­ ten Anfangsabstand des Oberwerkzeugs 3 und des Unterwerk­ zeugs 5 zu einer Arbeitsstellung zu verringern.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist jeweils schematisch eine Anordnung zur Herstellung von Formwerkzeugen für Mikrostablinsenkörper darge­ stellt. Obwohl die Herstellung nur anhand eines Oberwerk­ zeugs 3 dargestellt ist, erfolgt die Herstellung eines ent­ sprechenden Unterwerkzeugs 5 dazu analog.

Das Oberwerkzeug hat dabei die Form eines Zylinders 3, auf dessen Mantelfläche 7 die Formkontur 2 mittels eines Präzi­ sionsdrehwerkzeugs 9 eingedreht wird. Vorteilhafterweise ist das Oberwerkzeug 3 bereits als Rohling ein Zylinder, wie er günstig als Stangenmaterial erhältlich ist, so daß das Dre­ hen der Zylinderform rasch und materialsparend erfolgt und sich lediglich auf ein Abdrehen der Oberfläche beschränkt.

Auf der Mantelfläche 7 wird dann nutartig die Formkontur 2 eingedreht, wobei eine Vorschubbewegung des Drehwerkzeugs 9 während der Drehbearbeitung parallel und senkrecht zur Rota­ tionsachse des Oberwerkzeugs 3 gesteuert wird.

Dementsprechend läßt sich bei Verwendung eines geeigneten Drehwerkszeugs jede beliebige Formkontur 2 auf der Mantel­ fläche 7 des Oberwerkzeugs 3 eindrehen. Dadurch braucht man zur Herstellung unterschiedlicher Formwerkzeuge lediglich ein Standardwerkzeug und eine Standardmaschine, nämlich eine Drehmaschine, so daß die Herstellungskosten niedrig gehalten werden, da diverse, teuere Spezialwerkzeuge nicht nötig sind und die Fertigungszeit durch die Bearbeitung auf nur einer Maschine niedrig ist.

Da für die Qualität der durch das Oberwerkzeug 3 hergestell­ ten Linsen die Qualität des Werkzeugs entscheidend ist, ins­ besondere dessen Formgenauigkeit und Oberflächengüte, ist das Drehwerkzeug 9 ein monokristallines Diamantdrehwerkzeug, durch das man eine höchst genaue Bearbeitung der Formwerk­ zeuge erreicht. Die Herstellung der Mantelfläche 7 des Ober­ werkzeugs 3 und das Eindrehen der Formkontur 2 erfolgt dabei in einer Aufspannung auf einer CNC-gesteuerten, zweiachsigen Hochpräzisionsdrehmaschine. Dies gewährleistet höchste Ge­ nauigkeit, da mögliche Ungenauigkeiten infolge eines Umspan­ nens und erneuten Einmessens vermieden sind. Zudem gewähr­ leistet die CNC-gesteuerte, zweiachsige Hochpräzisions­ drehmaschine, daß die Vorschubbewegung des Drehwerkzeugs während der Drehbearbeitung parallel und senkrecht zur Rota­ tionsachse des Oberwerkzeugs exakt gesteuert wird, wodurch jede beliebige Formkontur hochpräzise herstellbar ist.

Das so hergestellte Oberwerkzeug 3 wird in einem weiteren Verfahrensschritt an seiner Mantelfläche 7 und/oder der Formkontur 2 beschichtet, um die Oberflächeneigenschaften weiter zu verbessern. Dadurch kann zum einen der Verschleiß des Oberwerkzeugs 3 begrenzt werden, indem auf die Formkon­ tur 2 eine extrem harte Beschichtung aufgebracht wird, oder zum anderen die Oberflächeneigenschaften des Formwerkzeugs 3 an die Problemstellung, die z. B. von der Glassorte und der davon abhängigen Umformtemperatur, angepaßt werden.

Claims (22)

1. Verfahren zur Herstellung von Mikrostablinsen für Laserein­ richtungen, wobei ein Glasstab im erwärmten Zustand umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Relativbewegung zwi­ schen dem Glasstab (1) und einem an seinem Außenumfang eine Formkontur (2, 6) mit einer Oberflächenrauheit von R_a < 5 nm aufweisenden Ober- und/oder Unterwerkzeug (3, 5) der erwärmte Glasstab (1) zumindest teilweise in die Formkontur (2, 6) des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (3, 5) gepreßt wird und im An­ schluß an den Umformvorgang einzelne Mikrostablinsen von dem Glasstab (1) abgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (3) in Längsrichtung über den Glasstab (1) abgerollt wird, wobei der Glasstab (1) unter Fließen konti­ nuierlich in einen Abschnitt der abrollenden Formkontur (2) gepreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasstab (1) durch ein als plane Gegenplatte (4) ausge­ bildetes Unterwerkzeug ohne Relativbewegung zwischen dem Un­ terwerkzeug (4) und dem Glasstab (1) in die Formkontur (2) des über dem Unterwerkzeug (4) abrollenden Oberwerkzeuges (3) gepreßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasstab durch ein als Zylinder ausgebildetes Unterwerk­ zeug unter Relativbewegung zwischen dem Glasstab und dem Un­ terwerkzeug in die Formkontur des Oberwerkzeuges gepreßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das als Zylinder ausgebildete Unterwerkzeug in Längsrichtung über den Glasstab abgerollt wird, wobei der Glasstab in die Formkontur des zum Unterwerkzeug gegenläufig rotierenden Oberwerkzeugs gepreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasstab (1) sowohl in die Formkontur (2) des Oberwerk­ zeuges (3) als auch in die an einem Außenumfang des Unter­ werkzeuges (5) ausgebildete Formkontur (6) gepreßt wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Glasstab (1) durch einen Ab­ rollvorgang in seine endgültige Kontur umgeformt wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Glasstab (1) gleichzeitig in zumindest eine weitere Formkontur (2, 6) des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (3, 5) umgeformt wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (3) und/oder das Unterwerkzeug (4, 5) vor dem Umformen des Glasstabes (1) er­ wärmt wird.

10. Umformvorrichtung zur Herstellung von Stablinsenkörpern für Mikrostablinsen für Lasereinrichtungen, insbesondere zur Durch­ führung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Formwerkzeug mit einem Oberwerkzeug (3) und einem Unterwerkzeug (4, 5), wobei das Oberwerkzeug (3) und/oder das Unterwerkzeug (5) an seinem Außenumfang eine Form­ kontur (2, 6) mit einer Oberflächenrauheit R_a < 5 nm aufweist, und das Ober- und/oder Unterwerkzeug (9, 5) um eine Rotati­ onsachse drehbar ist.

11. Umformvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Oberwerkzeug (3) rotationssymmetrisch ist.

12. Umformvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (3) ein Kreiszylinder mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden negativen Formkontur (2) an seiner Mantelfläche (7) ist.

13. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (3) zu­ mindest entlang einer Achse senkrecht zur Rotationsachse be­ wegbar ist.

14. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterwerkzeug eine plane Gegenplatte (4) ist.

15. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterwerkzeug (5) rotationssymmetrisch ist.

16. Umformvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß das Unterwerkzeug ein Kreiszylinder (5) mit der Formkontur (6) an seiner Mantelfläche (8) ist.

17. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterwerkzeug (5) an seinem Außenumfang eine Formkontur (6) aufweist und um eine Rotationsachse rotierbar ist.

18. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse des Unterwerkzeuges (5) parallel zur Rotationsachse des Ober­ werkzeuges (3) ist.

19. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterwerkzeug (4, 5) zumindest entlang einer Achse senkrecht zur Rotationsachse des Oberwerkzeuges (3) bewegbar ist.

20. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (3) und/oder das Unterwerkzeug (4, 5) zumindest entlang einer zweiten Achse, die senkrecht zur Rotationsachse des Ober­ werkzeugs (3) ist, bewegbar ist.

21. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberwerkzeug (3) und/oder das Unterwerkzeug (4, 5) aus Silizium ist.

22. Umformvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkontur (2, 6) des Ober- und/oder Unterwerkzeuges (3, 5) beschichtet ist.