DE4440981B4

DE4440981B4 - Optisches Verbundbauelement vom Reflexionstyp

Info

Publication number: DE4440981B4
Application number: DE4440981A
Authority: DE
Inventors: Toru Chiba; Masaki Shimizu; Jun Hirakawa
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1993-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2014-11-18
Also published as: NL194413B; NL194413C; JPH07191207A; DE4440981A1; US5717532A; NL9401913A

Abstract

Optisches Verbundbauelement vom Reflexionstyp mit einem transparenten Substrat (3), das auf seiner der Lichteintrittseite zugewandten Oberfläche eine asphärische Kunstharzschicht (2) und auf der anderen Oberfläche eine hochreflektierende Schicht (1) hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Verbundbauelement vom Reflexionstyp, insbesondere einen asphärischen Spiegel, beispielsweise einen Parabolspiegel. Das optische Bauelement kann bei der Herstellung einer Vielfalt optischer Geräte oder Instrumente eingesetzt werden.
In einer Vielzahl optischer Instrumente wird ein sogenannter "asphärischer Spiegel" verwendet, ein typisches Beispiel ist ein Parabolspiegel, denn ein solches optisches Bauelement enthält ein optisches System, das keine Aberration hat oder fähig ist, eine Aberration zu kompensieren. Im allgemeinen wird ein solches optisches Bauelement unter Verwendung eines Substrates aus Glas, Metall oder Plastik hergestellt.
Bei der Fertigung eines asphärischen Spiegels unter Verwendung von Glas als Substratmaterial wird üblicherweise eine asphärische Oberfläche erzeugt, indem eine Oberfläche des Glassubstrats durch spanende Bearbeitung in eine vorbestimmte Gestalt gebracht und dann die bearbeitete Oberfläche poliert wird. Die polierte asphärische Oberfläche wird dann mit einer dünnen Schicht eines Materials mit einem hohen Reflexionsgrad beschichtet, um einen asphärischen Spiegel zu erhalten. Dieser Herstellprozeß hat jedoch Nachteile, die ihn nicht für die Massenproduktion von asphärischen Spiegeln geeignet machen, da das Polieren der asphärischen Fläche die Produktivität absinken läßt. Ähnliche Nachteile stellen sich ein, wenn Metall als Substratmaterial für asphärische Spiegel verwendet wird, da das Metallsubstrat unter Verwendung einer Werkzeugmaschine oder ähnlichen Maschinen berarbeitet und dann die bearbeitete Oberfläche poliert werden muß, um wie beim Glassubstrat eine polierte asphärische Oberfläche zu erzeugen.
Wenn Kunststoff als Substratmaterial und als Gußform Metall mit einer polierten asphärischen Oberfläche verwendet wird, die beispielsweise nach dem oben beschriebenen Verfahren erzeugt wird, wird der Kunststoff in die Form gegossen, um ein Gußprodukt mit der vorgesehenen asphärischen Oberfläche zu erzeugen. Das Gußprodukt wird dann mit einer dünnen Schicht eines Materials mit hohem Reflexionsgrad beschichtet, um den asphärischen Spiegel zu erhalten. Das Kunststoffsubstrat ist geeignet für die Herstellung von asphärischen Spiegeln, da es ein geringeres Gewicht als die Substrate aus Glas und Metall hat, leicht gießbar ist, eine hohe Produktivität hat, ausgezeichnete Stoßfestigkeit besitzt und auch unter dem Gesichtspunkt der Kostenersparnis vorteilhaft ist. Plastiksubstrate werden vielfältig als Substrate für die Herstellung von optischen Bauelementen außerhalb der Anwendung für asphärische Spiegel eingesetzt, da sie die oben erwähnten Vorteile bieten. Kunststoff- oder Plastiksubstrate können jedoch nicht eingesetzt werden, wenn eine hohe Genauigkeit bei optischen Bauelementen gefordert ist, da ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient größer als der von Glas oder Metall ist und die resultierenden optischen Bauelemente eine verbleibende Spannung haben, die während des Gießens des Kunststoffsubstrats entsteht. Die verbleibende Spannung im Bauelement führt zu einer verringerten Genauigkeit des Aufbaus und zu weiteren Nachteilen.

In der CH-PS 145 005 ist ein Tageslichtreflektor in Form eines Verbundbauelementes vom Reflexionstyp beschrieben. Dieses Verbundbauelement umfasst einen Glaskörper, dessen auf der Lichteintrittsseite liegende Oberfläche wellenförmig ausgebildet ist. Auf der anderen Oberfläche ist der Glaskörper mit einem Spiegelbelag versehen.

In der EP 0 014 783 A1 ist ein Verbundbauelement beschrieben, das ein Glassubstrat umfasst, auf dessen einer Oberfläche eine asphärische Kunstharzschicht angeordnet ist.

In der US 3 873 191 ist ein Verbundbauelemt offenbart, das ein Metallsubstrat, eine asphärische Kunstharzschicht sowie eine metallische Reflexionsschicht umfasst. Die Reflexionsschicht ist auf der Kunstharzschicht und diese wiederum auf einer Oberfläche des Metallsubstrats ausgebildet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Verbundbauelement vom Reflexionstyp anzugeben, das auch in Massenproduktion gut herstellbar ist und eine hohe Genauigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.

Durch die Erfindung wird es möglich, ein optisches Verbundbauelement vom Reflexionstyp mit geringen Kosten und im großen Produktionsmaßstab herzustellen, wobei keine Ungleichmäßigkeit in der Form der Bauelemente vorhanden ist. Demgemäß erfüllen die optischen Bauelemente nach der Erfindung die Erfordernisse für eine hohe Genauigkeit, einfache Herstellbarkeit und die Anforderungen für die Massenproduktion.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt
1 einen Querschnitt durch ein optisches Bauelement gemäß der Erfindung.
Das zusammengesetzte asphärische optische Bauelement vom Reflexionstyp nach der Erfindung zeichnet sich aus durch eine asphärische Kunstharzschicht auf der einen Oberfläche des Substrats und eine hochreflektierende Schicht auf der anderen Oberfläche des Substrats. Ein typisches Beispiel für diese Ausführungsform ist in 1 dargestellt.
Für das optische Bauelement nach der Erfindung wird vorzugsweise Glas als Substrat für das optische Bauelement eingesetzt. Glas als Substratmaterial kann beliebige zusätzliche Schichten enthalten, um das optische Verhalten zu verbessern, wenn dies gewünscht ist, Die asphärische Kunstharzschicht des optischen Bauelements enthält ein photopolymerisierbares Kunstharz oder ein thermisch polymerisierbares Kunstharz. Das photopolymerisierbare Kunstharz kann wahlweise aus den bekannten photopolymerisierbaren Kunstharzen ausgewählt sein. Typische Beispiele für verwendbare photopolymerisierbare Kunstharze sind Urethan-Akryl-Kunstharz, Akryl-Kunstharz, Methakrylat-Kunstharz u.ä.. Das photopolymerisierbare Kunstharz wird in Kombination mit herkömmlichen Photopolymerisationsinitiatoren verwendet und kann weitere Zusätze enthalten, falls erforderlich. Weiterhin kann das thermisch polymerisierbare Kunstharz ausgewählt sein aus den bekannten thermisch polymerisierbaren Kunstharzen; typische Beispiele sind thermoempfindliches Kunstharz, beispielsweise Epoxidkunstharz, Diallylphtalat-Kunstharz, ein thermoempfindliches Polyurethan-Kunstharz, ungesättigtes Polyester-Kunstharz, u.ä., thermoplastisches Kunstharz, bei spielsweise Akryl-Kunstharz Polyurethan-Kunstharz u.ä.. Unter diesen thermisch polymerisierbaren Kunstharzen werden vorzugsweise thermoempfindliche Kunstharze verwendet, die beim Härten nur eine geringe Schrumpfung zeigen.
Die hochreflektierende Schicht der optischen Bauelemente besteht aus Metall. Das geeignete Metall wird vorzugsweise aus Aluminium, Silber, Gold, Kupfer und ähnlichen Metallen ausge wählt. Bei der Verwendung dieser Metalle kann die Reflexionsschicht vorzugsweise in Übereinstimmung mit bekannten Schichterzeugungsverfahren, wie beispielsweise Vakuumaufdampfen, Sputtern, Ionenplattieren u.ä. erzeugt werden.
Im folgenden wird das optische Bauelement gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und dessen Herstellung erläutert.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf der Oberfläche eines Glassubstrats 3 ist eine asphärische Kunstharzschicht 2 aufgebracht. Auf der anderen Fläche des Glassubstrats 3 ist eine hochreflektierende Schicht 1 vorgesehen, d.h. die hochreflektierende Schicht 1 ist auf der der Kunstharzschicht 2 gegenüberliegenden Seite des Substrats 3 angeordnet.
Das Bauelement nach 1 kann hergestellt werden, indem getrennt voneinander eine hochreflektierende Schicht 1 und eine asphärische Kunstharzschicht 2 auf einander gegenüberliegenden Flächen des Substrats 3 erzeugt werden. Beim dargestellten Beispiel nach 1 ist es erforderlich, die Oberfläche des Substrats, auf der die hochreflektierende Schicht 1 aufgebracht wird, zu läppen. Das Herstellen der hochreflektierenden Schicht 1 und das Gießen der asphärischen Kunstharzschicht 2 kann in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden, d.h. die Schicht 1 kann vor oder nach dem Gießen der Schicht 2 erzeugt werden. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß, wenn ein photopolymerisierbares Kunstharz als Material für die asphärische Kunstharzschicht verwendet wird, vorzugsweise die Kunstharzschicht vor dem Erzeugen der hochreflektierenden Schicht 1 gegossen wird, weil die Photopolymerisation dieses Materials von der Lichttransmittanz in das Bauteil abhängt. Zusätzlich ist es in diesem Fall erforderlich, den Aufbau der reflektierenden Oberfläche der Reflexionsschicht 1 zu modifizieren, so daß die zwischen der Kunstharzschicht 2 und dem Glassubstrat 3 entstehende Aberration auf geeignete Weise korrigiert werden kann, wobei eine Beschränkung im Aufbau des Bauelements mit einer solchen Modifizierung des Schichtaufbaus einhergeht. Es ist auch erforderlich, die auf die Kunstharzschicht einfallende Lichtverteilung zu steuern, so daß ein gesamter Photopolymerisationsbereich der Kunstharzschicht mit einem geeignet eingestellten Betrag an Licht beaufschlagt wird.
Im folgenden wird ein Herstellbeispiel unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
Beispiel
Bei diesem Beispiel wird ein Glassubstrat mit einem Durchmesser von 50 mm verwendet. Das Glassubstrat besteht aus optischem Glas, kommerziell als "BK 7" verfügbar. Das Glassubstrat hat eine gewölbte Oberfläche mit einem Krümmungsradius von 53 mm und eine gegenüberliegende ebene Fläche.
Nach dem Polieren der gewölbten Oberfläche des Glasssubstrats, auf die eine asphärische Kunstharzschicht aufgebracht werden soll, wurde eine asphärische Kunstharzschicht erzeugt. Eine Form mit einer vorgefertigten asphärischen Oberfläche als Gießoberfläche wurde fest über die polierte Fläche des Substrats 3 montiert, so daß ein Hohlraum mit durch die Form und das Substrat 3 definierter Größe entsteht. Nach der Ausbildung des Hohlraums wurde thermoempfindliches Epoxi-Kunstharz in ihn gegossen. Das hierbei verwendete Epoxi-Kunstharz basiert auf einer Bisphenol-A-Epoxi-Kunstharzzusammensetzung und enthält Methylhexylhydrophtalsaure als Härtemittel. Die Gießvorrichtung wurde auf eine Temperatur von 130°C geheizt, um das Epoxi-Kunstharz im Hohlraum zu härten. Die Form wurde nach dem Aushärten des Kunstharzes vom Substrat 3 getrennt. Auf diese Weise wurde eine asphärische Kunstharzschicht 2 auf der gewölbten Oberfläche des Substrats 3 erzeugt. Danach wurde die ebene Oberfläche des Substrats 3 unter Vakuum mit Aluminium bedampft, um eine dünne Aluminiumschicht mit einer Dicke von etwa 200 nm, d.h. die hochreflektierende Schicht 1, zu erzeugen. Auf diese Weise erhält man einen asphärischen Spiegel mit einer asphärischen Epoxid-Kunstharzschicht 2. Der Querschnitt des so erzeugten Bauelements ist in 1 dargestellt. Die asphärische Kunstharzschicht 2 hat eine Dicke von 100 μm im mittleren Bereich und eine maximale Schichtdicke von 700 μm.

Claims

Optisches Verbundbauelement vom Reflexionstyp mit einem transparenten Substrat (3), das auf seiner der Lichteintrittseite zugewandten Oberfläche eine asphärische Kunstharzschicht (2) und auf der anderen Oberfläche eine hochreflektierende Schicht (1) hat.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die asphärische Kunstharzschicht (2) ein photopolymerisierbares Kunstharz oder ein thermisch polymerisierbares Kunstharz enthält.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die hochreflektierende Schicht (1) ein Metall enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Silber, Gold und Kupfer enthält.
Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat (3) Glas enthält.