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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden eines
optischen Elements, und insbesondere bezieht es sich auf ein Verfahren zur Ausbildung
eines optischen Elements, auf dessen Typ im oberbegrifflichen Teil von Anspruch 1
hingewiesen wird. Solch ein Verfahren ist aus dem EP-A-0463463 bekannt.
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Das beschriebene, herkömmliche Verfahren umfaßt die Schritte des Erwärmens
eines Glasrohlings auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur des Rohlings
und des Pressens des erwärmten Rohlings zwischen sich gegenüberliegenden
Formwerkzeugoberflächen. Infolge der jeweiligen Anordnung von Rohling und
Formwerkzeugoberflächen ist zwischen dem Rohling und den Formwerkzeugoberflächen Gas
eingeschlossen, wodurch ein vorbestimmter maximaler Druck erhalten wird. Weiterhin umfaßt
das beschriebene konventionelle Verfahren das Einstellen der Druckbeaufschlagung,
wonach ein Druckentlastungsschritt durchgeführt wird.
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Ein ähnliches Verfahren zur Anfertigung eines Rohlings eines optischen Elements
in einer vorherbestimmten Form ist aus dem JP-A-58-84134 bekannt. Da solch ein
Rohling eines optischen Elements unter Druck verformt wird, soll die Form hiervon aus Sicht
der Durchführbarkeit und der Kosten so einfach wie möglich sein. Als typisches Beispiel
ist ein Formgebungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein säulenartiger Rohling
verwendet wird (zum Beispiel JP-A-3-50126).
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In einem herkömmlichen Formgebungsverfahren ist die Verformung ausgeführt
worden, während das in dem abgeschlossenen Raum zwischen dem Rohling und dem
Formwerkzeug befindliche Gas durch alternierendes Wiederholen der Beaufschlagung
mit Druck und Einstellen der Beaufschlagung mit Druck entfernt wird. Solch ein
Verfahren weist jedoch das Problem auf, daß die Verformungsgenauigkeit unstetig ist, was zu
einer geringen Produktionsleistung führt und dazu, daß die vorgegebene Genauigkeit nur
unter Schwierigkeiten erreicht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, um in
stetiger Weise hochgenaue, optische Elemente ökonomisch herzustellen.
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Das oben erwähnte Ziel wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht.
Insbesondere umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren druckbeaufschlagende und
druckreduzierende Schritte, die in intermittierenden Intervallen wiederholt durchgeführt
werden, so daß der maximale Gasdruck in dem abgeschlossenen Raum zwischen dem
Rohling und dem Formwerkzeug bei jedem druckbeaufschlagenden Schritt so kontrolliert
wird, daß er bezüglich der Oberflächenviskosität des Rohlings niedrig genug ist, um
keine lokale Konkave in der Oberfläche des Rohlings zu erzeugen, und hoch genug ist, um
zwischen dem Rohling und dem Formwerkzeug einen Durchgang zu formen, durch den
das Gas bei jedem Druckentlastungsschritt aus dem abgeschlossenen Raum abgeleitet
wird.
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Nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine hochgenaue Formgebung
durchgeführt werden, die keine kraterähnlichen Gaslöcher in der Übertragungsoberfläche
des Rohlings erzeugt. Genauer gesagt, kann das Gas aus dem abgeschlossenen Raum
abgeleitet werden, ohne schädliche Verformungen auf dem Rohling zu erzeugen, so daß
ein hochgenaues, optisches Element stetig produziert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Abb. 1 ist ein Querschnittsansicht einer Umformungsvorrichtung, die für das
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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Abb. 2 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen Druck und
dem Zeitabschnitt, während dem die Verformung unter Druck laut Ausführungsbeispiel
durchgeführt wird;
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Abb. 3 ist eine perspektivische Ansicht des in dem Ausführungsbeispiel
gebrauchten Rohlings eines optischen Elements;
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Abb. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines in dem Ausführungsbeispiel
ausgebildeten optischen Elements;
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Abb. 5A bis Abb. 5C sind Ansichten, die den Mechanismus des Ausströmens des
zwischen dem Formwerkzeug und dem Rohling des optischen Elements
eingeschlossenen Gases veranschaulichen;
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Abb. 6A und Abb. 6B sind eine Aufsicht und eine Seitenansicht, die jeweils ein
Gasloch in der Oberfläche eines optischen Elements in einem vergleichenden Beispiel
veranschaulichen; und
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Abb. 7A und Abb. 7B sind eine Aufsicht und eine Seitenansicht, die jeweils ein
Gasloch in der Oberfläche eines optischen Elements in einem anderen vergleichenden
Beispiel veranschaulichen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die folgende Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erörtern. Die folgende
Beschreibung wird erörtert wie gemäß der vorliegenden Erfindung eine plankonvexe Linse
ausgebildet wird.
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In einer Umformungsvorrichtung - wie in Abb. 1 - hat ein Formwerkzeug einen
oberen Stempel 3, einen unteren Stempel 4 und einen Stempelführungsschaft 5. Der
obere Stempel 3 und der unter Stempel 4 sind vertikal verschiebbar in dem
Stempelführungsschaft 5 angeordnet, so daß diese Stempel 3, 4,5 die gleiche Achse haben. Ein
Rohling eines optischen Elements 1 wird in den aus dem oberen Stempel 3, dem unteren
Stempel 4 und dem Stempelführungsschaft 5 gebildeten Raum eingesetzt. Wie in Abb. 3
zu sehen, ist der Rohling des optischen Elements ein zylindrischer Körper, dessen zwei
sich gegenüberliegende Stirnflächen 11 hochglanzpoliert sind, und dessen seitliche
Oberfläche 12 rauh ist. Wie in Abb. 1 dargestellt, ist der Rohling 1 im Formwerkzeug so
plaziert, daß je eine der Stirnflächen 11 gegenüber der oberen Formwerkzeugoberfläche
3a, die eine konkave Oberfläche hat, liegt und eine gegenüber der unteren
Formwerkzeugoberfläche 4a liegt, die flach ist. Zwischen dem oberen Stempel 3 und dem unteren
Stempel 4 ist ein Spalt geformt, dessen Größe bestimmt wird, wenn der Flansch 3c des
oberen Stempels 3 mit dem oberen Ende des Stempelführungsschafts 5 in Kontakt
kommt. Durch die Größe dieses Spaltes wird der Rohling des optischen Elements zu
einem optischen Element (plankonvexe Linse) 2 mit vorbestimmter Stärke geformt, das
einen Anteil hochglanzpolierter Oberfläche 21 und einen Anteil rauher Oberfläche 22 hat,
wie in Abb. 4 dargestellt.
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Die druckbeaufschlagende Plattform bzw. der Formstempel 6 in Abb. 1 beinhaltet
auch eine Heizquelle. Von der druckbeaufschlagenden Plattform bzw. dem Formstempel
6 wird eine druckbeaufschlagende Kraft übertragen, um den oberen Stempel 3
herunterzudrücken. Genauer gesagt, wird die druckbeaufschlagende Plattform bzw. der
Formstempel 6 zum Beispiel durch eine hydraulische Pumpe (nicht abgebildet) nach unten
gefahren, um auf den oberen Stempel 3 eine Kraft zu übertragen, die den Rohling 1 des
optischen Elements mit Druck beaufschlagt. Durch die hydraulische Pumpe kann die
druckbeaufschlagende Plattform bzw. der Formstempel 6 nicht nur abwärts sondern
auch aufwärts bewegt werden und kann ebenso während der vertikalen Bewegung
angehalten werden. Weiterhin wird die druckbeaufschlagende Plattform bzw. der
Formstempel 6 so gesteuert, daß die auf den oberen Stempel 3 aufgebrachte Druckkraft
verändert werden kann. Folglich kann die durch den oberen Stempel 3 auf den Rohling 1
ausgeübte druckbeaufschlagende Kraft während der Umformung auf einen beliebigen
Wert gesenkt oder zu Null gesetzt werden. Eine formende Plattform bzw. der
Formwerkzeugtisch 7 hat eine eingebaute Heizquelle und ist unbeweglich. Durch die in der
druckbeaufschlagenden Plattform bzw. dem Formstempel 6 und in der formenden Plattform
bzw. dem Formwerkzeugtisch 7 eingebauten Heizquellen kann der obere Stempel 3, der
untere Stempel 4 und der Rohling 1 auf die gewünschte Temperatur eingeregelt werden.
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Die folgende Beschreibung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines optischen
Elements 2 (plankonvexe Linse) mit Hilfe der wie oben erwähnt angeordneten
Umformungsvorrichtung erörtern.
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Der Rohling 1 des optischen Elements ist so aufgestellt, daß eine Stirnfläche des
Rohlings 1 Kontakt zur unteren Formwerkzeugoberfläche 4a hat. Danach wird der obere
Stempel 3 in den Stempelführungsschaft 5 eingeführt, so daß die andere Stirnfläche des
Rohlings 1 in Kontakt mit der oberen Formwerkzeugoberfläche 3a kommt. Zu diesem
Zeitpunkt wird zwischen dem Rohling 1 des optischen Elements und dem oberen
Stempel 3 ein abgeschlossener Raum 3b geformt. Dann werden die in die
druckbeaufschlagende Plattform bzw. in den Formstempel 6 und in die formende Plattform bzw. in den
Formwerkzeugtisch 7 eingebauten Heizquellen eingeschaltet, um den Rohling 1 des
optischen Elements auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, und Druck wird auf die
druckbeaufschlagende Plattform bzw. auf den Formstempel 6 aufgebracht, so daß der
obere Stempel 3 beginnt auf den Rohling 1 des optischen Elements zu drücken. Hier ist
ein druckbeaufschlagendes Verfahren gewählt worden, das das in Abb. 2 dargestellte
Muster aufzeigt, in dem während eines Zyklus mehrmals auf den oberen Stempel 3 eine
vorbestimmte Druckkraft aufgebracht und diese Druckkraft auf den oberen Stempel 3
wieder zu Null gesetzt wird. Genauer gesagt, werden das Beaufschlagen mit Druck und
das Einstellen der Druckbeaufschlagung alternierend wiederholt, um das im
abgeschlossenen Raum 3b zwischen dem Rohling 1 des optischen Elements und dem oberen
Stempel 3 eingeschlossene Gas abzuleiten. Während das Beaufschlagen mit Druck und
das Einstellen der Druckbeaufschlagung auf diese Weise alternierend wiederholt werden,
wird die Verformung des Rohlings 1 unter Druck abgeschlossen, wenn der Flansch 3c
des oberen Stempels 3 mit der Stirnfläche des Stempelführungsschafts 5 in Kontakt
kommt. Danach werden die Heizquellen abgeschaltet, um die oberen und unteren
Stempel 3, 4 und den somit unter Druck verformten Rohling 1 zu kühlen, und die auf den
oberen Stempel 3 aufgebrachte Druckkraft wird auf Null gesenkt. Wenn die Temperatur des
somit unter Druck verformten Rohlings 1 bzw. des optischen Elements 2 sich auf
Raumtemperatur verringert hat wird das Formwerkzeug geöffnet und das optische Element
herausgenommen.
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Die folgende Beschreibung wird den Mechanismus beschreiben, mit dem das in
dem abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossene Gas abgeleitet wird (siehe Abb. 5A).
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In der durch die druckbeaufschlagende Plattform bzw. den Formstempel 6
durchgeführten Beaufschlagung mit Druck wird das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b
- wie in Abb. 5B dargestellt - kleiner, da der obere Stempel 3 auf den Rohling 1 des
optischen Elements drückt, um die Verformung des Rohlings 1 zu bewirken. In Verbindung
hiermit wird das Gas in dem abgeschlossenen Raum 3b komprimiert. Da jedoch der
obere Stempel 3 nach unten gedrückt wird und in engen Kontakt mit dem Rand des Rohlings
1 des optischen Elements kommt, wird das Gas in dem abgeschlossenen Raum 3b nicht
nach außen abgeleitet. So wird das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b reduziert,
und der Druck in dem hierin eingeschlossenen Gas wird erhöht.
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Nachdem die druckbeaufschlagende Plattform bzw. der Formstempel 6 aufwärts
bewegt wurde und geringfügig von dem oberen Stempel 3 getrennt wurde, so daß die
auf den oberen Stempel 3 aufgebrachte Kraft auf Null herabgesetzt ist (Einstellen der
Druckbeaufschlagung), wird als nächstes das in dem abgeschlossenen Raum 3b
eingeschlossene Gas abgeleitet. Durch das Herabsetzen der auf den oberen Stempel 3
aufgebrachten Kraft auf Null entsteht ein Zustand, in dem nur das Eigengewicht des oberen
Stempels 3 auf den Rohling 1 aufgebracht wird. In dieser Lage lockert sich der enge
Kontakt zwischen dem Rand des Rohlings 1 des optischen Elements und der oberen
Formwerkzeugoberfläche 3a verglichen mit dem Zustand, in dem eine Druckkraft von der
druckbeaufschlagenden Plattform bzw. dem Formstempel 6 auf den oberen Stempel 3
aufgebracht wird. Außerdem wird unter dem Einfluß eines hohen Drucks, unter dem das
in dem abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossene Gas steht, zwischen dem oberen
Stempel 3 und dem Rohling 1 teilweise ein Gasdurchgang 3d ausgebildet, wie dies in
Abb. 5C dargestellt ist. Es wird berücksichtigt, daß das unter einem hohem Druck
ste
hende, eingeschlossene Gas einen Augenblick lang durch diesen Gasdurchgang 3d
herausströmt. Folglich strömt, durch das Herabsetzen der von der druckbeaufschlagenden
Plattform bzw. dem Formstempel 6 auf den oberen Stempel 3 aufgebrachten Druckkraft
auf Null, das Gas in dem abgeschlossenen Raum 3b schnell heraus und der Druck in
dem abgeschossenen Raum 3b wird einen Augenblick lang auf den anfänglichen,
atmosphärischen Druck zurückgehen.
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Vom oben erwähnten Zustand ausgehend wird das Beaufschlagen mit Druck
wiederum durchgeführt, um den Rohling 1 des optischen Elements weiter zu verformen.
Wenn der Druck des in dem abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossene Gases
ansteigt, wird die Druckkraft wieder auf Null herabgesetzt, um dadurch das
eingeschlossene Gas nach außen abzuleiten. Somit wird das Verformen des Rohlings 1 des optischen
Elements unter Druck durch alternierend wiederholtes Beaufschlagen mit Druck und
Einstellen der Beaufschlagung mit Druck durchgeführt. Dementsprechend wird der Rohling
1 des optischen Elements so geformt, daß die Form der oberen
Formwerkzeugoberfläche 3a auf den Rohling 1 des optischen Elements übertragen wird, während das in dem
abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossene Gas abgeleitet wird.
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Wenn der Betrag der Verschiebung des oberen Stempels 3 bei jedem
druckbeaufschlagenden Schritt konstant gehalten wird und wenn das Beaufschlagen mit Druck
und das Einstellen des Beaufschlagens mit Druck in der oben erwähnten Weise
alternierend wiederholt werden, sind die Drücke des Gases im abgeschlossenen Raum 3b in
den jeweiligen druckbeaufschlagenden Schritten voneinander verschieden. Das heißt, da
die Form der oberen Formwerkzeugoberfläche 3a sphärisch oder asphärisch ist,
verändert sich das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b in nichtlinearer Weise mit dem
Betrag der Abwärtsverschiebung des oberen Stempels 3. Wenn der Gasdruck in dem
abgeschlossenen Raum 3b auch nur zeitweilig bis zu dem Grad erhöht ist, bei dem die
Oberfläche des Rohlings 1 des optischen Elements verformt werden kann, bewirkt solch
ein Gasdruck somit notwendigerweise eine unerwartete, unregelmäßige Deformation
(nicht reproduzierbare Deformation) auf der Oberfläche des Rohlings 1 des optischen
Elements. Solch eine Deformation kann auf eine kleine Fläche begrenzt sein, kann aber
auch beachtlich erscheinen. Weiter kann solch eine Deformation in der Mitte des
Rohlings 1 des optischen Elements vorkommen, sie kann aber auch am Rand hiervon
vorkommen. Folglich gibt es keine Reproduzierbarkeit. Wenn die Deformation auf eine
kleine Fläche begrenzt ist, bedeutet das, daß die Oberflächenfestigkeit des Rohlings 1 des
optischen Elements dem Gasdruck gewachsen ist. Obwohl auf den ersten Blick keine
bestimmte Verschlechterung der Formungsgenauigkeit beobachtet wird, ist es in diesem
Fall schwierig eine Formungsgenauigkeit zu erreichen, die gleich oder besser als die
vorbestimmte Genauigkeit ist. Wenn der Gasdruck in dem abgeschlossenen Raum 3b
von beträchtlicher Höhe ist, wird ferner ein Gasloch in der Übertragungsoberfläche des
geformten optischen Elements gebildet und auf diese Weise eine mangelhafte
Übertragung hervorgerufen.
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Weiterhin ist es auch nicht gut, wenn der Gasdruck in dem abgeschlossenen
Raum 3b zu niedrig ist. Genauer gesagt, wenn der Gasdruck in dem abgeschlossenen
Raum 3b zu niedrig ist, ist es nicht möglich einen als Gasdurchgang 3d dienenden,
keinen Kontakt habenden Anteil zwischen dem oberen Stempel 3 und dem Rohling 1 zu
formen, so daß das Gas in dem abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossen bleibt. Wenn
in dem oben erwähnten Zustand die nächste Beaufschlagung mit Druck durchgeführt
wird, wird der Druck auf das Gas in dem geschlossenen Raum 3b weiter erhöht, was zur
Formung einer schädlichen Konkave in der Oberfläche des optischen Elements führt.
Folglich sollte der Druck des Gases in dem abgeschlossenen Raum 3b, der im Verlauf
der Verformung des Rohlings 1 unter Druck erzeugt wird, weder so hoch sein, daß der
Rohling 1 deformiert wird, noch so niedrig sein, daß kein Gasdurchgang 3d zwischen
dem oberen Stempel 3 und dem Rohling 1 geformt wird.
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Die folgende Beschreibung wird ein konkretes Beispiel zu dem auf dem oben
erwähnten Ergebnis basierenden Verfahren zum Ausbilden eines optischen Elements
erörtern. In dem folgenden, konkreten Beispiel wird ein Verfahren zum Ausbilden eines
optischen Elements (plankonvexe Linse) 2 mit einer Stärke von 2,9 mm und einem
Durchmesser der optisch wirksamen Fläche von 6,86 mm besprochen.
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Der Rohling 1 des optische Elements war ein zylindrischer Körper aus optischem
Glas VC-79 (Übergangstemperatur: 516ºC, Oberflächenviskosität bei dieser Temperatur:
1012,75 Poise, Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 100ºC-
300ºC: 93 · 10&supmin;&sup7;/ºC) mit einem Durchmesser von 6,88 mm und einer Stärke von 2,95
mm. Dieser Rohling 1 wurde auf der unteren Formwerkzeugoberfläche 4a aufgestellt,
und der obere Stempel 3 wurde dann entlang des Stempelführungsschafts 5 eingeführt,
so daß die obere Formwerkzeugoberfläche 3a mit dem Rohling 1 in Kontakt kam. Zu
dieser Zeit betrug das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b zwischen dem oberen
Stempel 3 und dem Rohling 1 des optischen Elements 20,3 mm³, und der Betrag der
Abwärtsbewegung des oberen Stempels 3 bis zur vollendeten Ausbildung war 1,059
mm.
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Dann wurden die Heizquellen angeschaltet, um den Rohling 1 bei jeder
Temperatur 540ºC, 580ºC und 555ºC für 70 Sekunden zu erwärmen. Das bedeutet, daß der
Rohling 1 insgesamt für 3,5 Minuten erwärmt wurde. Am Schlußpunkt dieses Erwärmens
betrug die Oberflächenviskosität des Rohlings 1 1010,2 Poise.
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Während die Temperatur der Heizquellen bei 555ºC gehalten wurde, so daß die
Oberflächenviskosität des Rohlings 1 bei 1010,2 Poise aufrechterhalten wurde, wurde ein
Kraft von 285 kgf auf die druckbeaufschlagenden Plattform bzw. den Formstempel 6
aufgebracht, um zu bewirken, daß der obere Stempel 3 beginnt den Rohling 1 zu pressen.
Das erste Beaufschlagen mit Druck wurde für 5 Sekunden durchgeführt, um den oberen
Stempel 3 530 um entlang des Stempelführungsschafts 5 abwärts zu bewegen.
Entsprechend wurde das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b zwischen dem oberen
Stempel 3 und dem Rohling 1 des optischen Elements um etwa 15,2 mm³ vom
anfänglichen Wert von 20,3 mm³ auf 5,08 mm³ verringert. Bei diesem Beaufschlagen mit Druck
kam der obere Stempel 3 immer mit dem Rand einer Stirnfläche des Rohlings 1 in
Kontakt. Folglich konnte das in dem abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossene Gas nicht
nach außen entweichen. Diese Volumenänderung erhöhte den Druck des in dem
abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossenen Gases von atmosphärischem Druck auf etwa
3,9 kgf/cm².
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Dann wurde, um die von der druckbeaufschlagenden Plattform bzw. dem
Formstempel 6 aufgebrachte Druckkraft auf Null zu senken, die druckbeaufschlagende
Plattform bzw. der Formstempel 6 aufwärts bewegt, so daß die druckbeaufschlagende
Plattform bzw. der Formstempel 6 keinen Kontakt mehr mit dem oberen Stempel 3 hatte.
Dies bewirkte, daß nur noch das Eigengewicht des oberen Stempels 3 von 33,2 g auf
den Rohling 1 des optischen Elements aufgebracht wurde. Wie oben erwähnt lockerte
der hohe Gasdruck in dem abgeschlossenen Raum 3b, der sich auf 3,9 kgf/cm² erhöht
hatte, den Zustand des engen Kontakts zwischen dem oberen Stempel 3 und dem Rand
des Rohlings 1 des optischen Elements, um dazwischen lokal einen keinen Kontakt
habenden Anteil auszubilden. Dieser diente als Gasdurchgang 3d, durch den das in dem
abgeschlossenen Raum 3b eingeschlossene Gas einen Augenblick lang nach außen
abgeleitet wurde. Das bewirkte, daß der Druck in dem abgeschlossenen Raum 3b auf
atmosphärischen Druck zurückging. Solch ein Ableiten des Gases aus dem
abgeschlossenen Raum 3b wurde sofort ausgeführt, und der als Gasdurchgang 3d dienende, keinen
Kontakt habende Anteil zwischen dem oberen Stempel 3 und dem Rohling 1 wurde
umgehend in den Zustand engen Kontakts zurückversetzt. Das verhinderte, daß sich die
Formungsgenauigkeit verschlechterte. Nachdem das eingeschlossene Gas in der oben
erwähnten Weise abgeleitet worden ist, kamen der Rohling 1 des optischen Elements
und der obere Stempel 3 in engen Kontakt miteinander, um wieder den abgeschlossenen
Raum 3b zu bilden. Das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b war nun gleich 5,08
mm³, was kleiner als das anfängliche war, und der Druck in dem abgeschlossenen Raum
3b war nun gleich dem atmosphärischen Druck.
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Beim zweiten Beaufschlagen mit Druck wurde die von der
druckbeaufschlagenden Plattform bzw. dem Formstempel 6 aufgebrachte Kraft identisch mit dem ersten
Beaufschlagen mit Druck auf 285 kgf festgesetzt und das Beaufschlagen mit Druck wurde
durchgeführt bis der Rohling 1 von einer Abwärtsverschiebung des oberen Stempels 3
um 280 um entlang des Stempelführungsschafts 5 verformt war. Bei diesem
Beaufschlagen mit Druck wurde das Volumen des abgeschlossenen Raums 3b um 3,81 mm³ von
5,08 mm³ auf 1,27 mm³ reduziert. Durch diese Volumenänderung wurde der Gasdruck in
dem abgeschlossenen Raum 3b wie beim ersten Beaufschlagen mit Druck etwa gleich
3,9 kgf/cm².
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Wenn der auf die druckbeaufschlagende Plattform bzw. den Formstempel 6
aufgebrachte Druck auf Null festgesetzt war, wie es im vorherigen Arbeitsschritt erfolgte,
wurde danach das komprimierte Gas in dem abgeschlossenen Raum 3b nach außen
abgeleitet, was bewirkte, daß der Druck hierin wieder auf atmosphärischen Druck
zurückging. Selbstverständlich bewirkte das zweite Beaufschlagen mit Druck ein Verformen
des Rohlings 1 unter Druck zu einer dem Endprodukt näheren Form als die Form, die
nach dem Beenden des ersten Beaufschlagens mit Druck ausgebildet war.
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Bei jeder der dritten bis fünften Beaufschlagung mit Druck wurde der Rohling 1
unter Druck so verformt, daß der maximale Gasdruck in dem abgeschlossenen Raum 3b
wie in jeder der ersten beiden Beaufschlagungen mit Druck etwa gleich 3,9 kgf/cm²
wurde. Durch mehrmalige, alternierende Wiederholung des Beaufschlagens mit Druck und
der Druckentlastung wurde der Rohling 1 zu einer dem Endprodukt näheren Form
verformt, während der größte Teil des Gases in dem abgeschlossenen Raum 3b abgeleitet
wurde.
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Bei dem letzten Beaufschlagen mit konstant gehaltener Druckkraft wurde Druck
von der druckbeaufschlagenden Plattform bzw. dem Formstempel 6 auf den oberen
Stempel 3 aufgebracht, um zu bewirken, daß der Flansch 3c des oberen Stempels 3 in
engen Kontakt mit dem Stempelführungsschaft 5 kommt, dessen Stärke vorher so
angepaßt worden war, daß das resultierende optische Element 2 die gewünschte Stärke
hat
te. Nachdem die Druckzufuhr begonnen hatte, wurden etwa 42 Sekunden benötigt bevor
der obere Stempel 3 in engen Kontakt mit dem Stempelführungsschaft 5 kam. Zu dieser
Zeit betrug das Volumen in dem Formwerkzeug (das Volumen des vom oberen und
unteren Stempel 3,4 und dem Stempelführungsschaft 5 begrenzten Raums) 315,23 mm³ und
das Volumen des so geformten optischen Elements (plankonvexe Linse) 2 betrug 109,67
mm³. Dies ergab ein Raumerfüllung von 34,8% was das Volumen in den Stempeln
betrifft und folglich war der Raum in den Stempeln nicht vollständig von dem optischen
Element 2 ausgefüllt. Ferner kam der Umfang des optischen Elements 2 nicht mit der
inneren Wandung des Stempelführungsschafts 5 in Kontakt.
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Als die Druckkraft reduziert und das optische Element 2 in 2 Minuten auf 480ºC
abgekühlt worden war, wurde dann die Druckzufuhr beendet, um den Druck auf Null
herabzusetzen. Als die Temperatur des optischen Elements 2 in der Form gleich der
Raumtemperatur war, wurde die Form geöffnet und das optische Element 2
herausgenommen.
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Bei dem auf diese Weise angefertigten optischen Element 2 betrug die Stärke in
der Mitte 2,903 mm und die Übertragungsgenauigkeit betrug λ/4. Ferner zeigte das
optische Element 2, wie in Abb. 4 dargestellt, keine äußerlichen Defekte. λ bezieht sich hier
auf die Wellenlänge des Lasers mit dem die Übertragungsgenauigkeit gemessen wird
und ist genau gleich 0,6328 um. Es ist zu bemerken, daß der rauhe Anteil der
Oberfläche 22 des optischen Elements 2 außerhalb der optisch wirksamen Fläche ausgebildet
wurde und somit kein Problem hinsichtlich der optischen Leistung hervorruft.
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Die folgende Beschreibung wird ein vergleichendes Beispiel erörtern, das unter
Formungsbedingungen, die sich von den oben erwähnten unterscheiden, mit einer
Umformungsvorrichtung und einem Rohling des optischen Elements, die identisch mit den
im oben erwähnten, konkreten Beispiel sind, erhalten wurde.
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Der Rohling 1 wurde in die Form eingesetzt und dann wurden die Heizquellen
angeschaltet, um den Rohling 1 bei jeder temperatur 540ºC, 580ºC und 570ºC für 70
Sekunden zu erwärmen. Folglich wurde der Rohling 1 insgesamt 3,5 Minuten lang erwärmt.
Nach dem Abschluß des Erwärmens war die Oberflächenviskosität des Rohlings 1 gleich
1091 Poise, was zeigt, daß die Oberfläche des Rohlings 1 weicher war als die in dem
konkreten Beispiel. Dann wurde, während die Temperatur der Heizquellen bei 570ºC
gehalten wurde, eine Kraft von 285 kgf durch die druckbeaufschlagende Plattform bzw.
den Formstempel 6 aufgebracht, und der obere Stempel 3 begann den Rohling 1 zu
pressen. Wie in dem konkreten Beispiel wurden fünf Beaufschlagungen mit Druck
aus
geführt, und jedes Beaufschlagen mit Druck wurde so durchgeführt, daß der Gasdruck in
dem abgeschlossenen Raum 3b - wie in dem konkreten Beispiel - gleich 3,9 kgf/cm²
betrug. Jedoch wurde in der Übertragungsoberfläche des so ausgebildeten optischen
Elements 2 ein kraterähnliches Gasloch 2a mit einem Durchmesser von etwa 150 um
geformt, wie es in Abb. 6A und Abb. 6B dargestellt ist. Die Übertragungsgenauigkeit betrug
λ/2. In diesem vergleichenden Beispiel wurde der Rohling 1 bis zu einem Ausmaß
erwärmt, daß die Oberfläche hiervon weicher war als in dem konkreten Beispiel. Als
Resultat bewirkte der Gasdruck in dem abgeschlossenen Raum 3b eine Deformation des
Rohlings 1. In der Oberfläche des Rohlings 1 wurde eine solche Deformation in Form
einer Konkave erzeugt. Dementsprechend konnte die Deformation nicht durch ein
späteres, das Formwerkzeug benutzendes Verformen unter Druck korrigiert werden. Somit
war das resultierende optische Element 2 schadhaft. Ferner ist solch eine Deformation
infolge des Gasdrucks unregelmäßig im Gegensatz zu der regelmäßigen Verformung
infolge des Formwerkzeugs. Auch unterscheiden sich die resultierenden optischen
Elemente voneinander in Größe und Lage der kraterähnlichen Konkaven.
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In dem vergleichenden Beispiel war der Grund, weshalb in der Oberfläche des
Rohlings 1 eine Konkave erzeugt wurde, der zu hohe Gasdruck. Entsprechend müßte
ein gutes Produkt ausgebildet werden, wenn der Gasdruck in dem vergleichenden
Beispiel niedrig ist. In diesem Zusammenhang wurden die Erwärmungsbedingungen des
Rohlings 1 des optischen Elements identisch mit denen des vergleichenden Beispiels
eingestellt, so daß die Oberflächenviskosität des Rohlings 1 zur Zeit der Verformung
unter Druck 109,1 Poise betrug. Ferner wurde das Beaufschlagen mit Druck so
durchgeführt, daß der Gasdruck in dem abgeschlossenen Raum 3b etwa gleich 2,9 kgf/cm² war.
Als Resultat wurde die Form der oberen Formwerkzeugoberfläche 3a erfolgreich auf den
Rohling 1 des optischen Elements übertragen, ohne wie in dem vergleichenden Beispiel
eine Konkave hierin zu formen und mit einer Übertragungsgenauigkeit des optischen
Elements 2 von λ/4.
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Wie vorher erwähnt ist es jedoch auch nicht gut, daß der Gasdruck in dem
geschlossenen Raum 3b zu niedrig ist. Wie selbstverständlich, wurde der Rohling mit der
Oberflächenviskosität von 109,1 Poise so mit Druck beaufschlagt, daß der Gasdruck in
dem geschlossenen Raum 3b etwa 2,4 kgf/cm² betrug. Das resultierende optische
Element 2 zeigte in seiner Übertragungsoberfläche ein kraterähnliches Gasloch 2a mit
einem Durchmesser von etwa 3 mm, wie in Abb. 7A und Abb. 7B dargestellt, und mit einer
Übertragungsgenauigkeit von λ/1. Dies geschah, da der Gasdruck in dem
abgeschlos
senen Raum 3b zu niedrig war, um einen Gasdurchgang 3d zwischen dem Rohling 1 und
dem oberen Stempel 3 zu bilden, so daß das in dem abgeschlossenen Raum 3b
eingeschlossene Gas nicht nach außen abgeleitet werden konnte, obwohl die auf den Rohling
1 aufgebrachte Druckkraft auf Null reduziert wurde. Als Resultat wurde das spätere
Beaufschlagen mit Druck mit einem in dem abgeschlossenen Raum 3b verbliebenen hohen
Druck von etwa 2,4 kgf/cm² durchgeführt. Das erhöht den Gasdruck in dem
abgeschlossenen Raum 3b weiter, so daß eine schädliche Konkave in dem Rohling 1 erzeugt
wurde. Das eingeschlossene Gas wurde aus dem abgeschlossenen Raum 3b abgeleitet, als
die Druckkraft das nächste Mal auf Null gesenkt wurde. Zu dieser Zeit war die Konkave
jedoch schon in dem Rohling 1 erzeugt worden. Entsprechend verblieb diese Konkave
noch als das Ausbilden abgeschlossen war.
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Wie im Vorhergehenden erörtert, waren die Resultate unter der ersten
Verformungsbedingung (Oberflächenviskosität des Rohlings von 1010,2 Poise, maximaler Druck
des eingeschlossenen Gases von 3,9 kgf/cm²) und unter der dritten
Verformungsbedingung (109,1 Poise, 2,9 kgf/cm²) gut, die Resultate waren aber nicht gut unter der zweiten
Verformungsbedingung (109,1 Poise, 3,9 kgf/cm²) und unter der vierten
Verformungsbedingung (109,1 Poise, 2,4 kgf/cm²).
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In einer wirklichen Massenproduktion können, um das in dem abgeschlossenen
Raum eingeschlossene Gas daran zu hindern eine schädliche Deformation in dem
Rohling zu erzeugen, im vorhinein Tests durchgeführt werden, um die Viskosität des
Rohlings zur Zeit der Verformung unter Druck, die Geschwindigkeit der Volumenveränderung
des abgeschlossenen Raums durch ein Beaufschlagen mit Druck (Geschwindigkeit des
Anstiegs des Gasdrucks in dem abgeschlossenen Raum), das Eigengewicht des oberen
Stempels und dergleichen zu bestimmen.
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Es gibt Fälle, in denen die Adhäsion zwischen den Stempeln und dem Rohling
sehr hoch ist, und es deswegen erforderlich ist, hohen Druck auf den abgeschlossenen
Raum aufzubringen, um einen Gasdurchgang hierzwischen zu bilden, so daß solch ein
hoher Druck möglicherweise schädliche Konkaven in dem Rohling erzeugt. In einem
solchen Fall ist es wirksam, daß ein Material mit einer, was den Rohling anbelangt,
niedrigen Viskosität für die Stempel verwendet wird, daß die Formoberflächen mit einem
solchen Material beschichtet sind oder daß der Rohling auf eine geringfügig niedrigere
Temperatur gebracht wird.
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Im Gegensatz dazu gibt es Fälle, in denen die Adhäsion zwischen den Stempeln
und dem Rohling sehr schlecht ist, und sich die Stempel folglich durch den Druck des
Hochdruckgases in dem abgeschlossenen Raum vollständig von dem Rohling trennen,
so daß möglicherweise ein nachteiliger Effekt auf die Verformungsgenauigkeit ausgeübt
wird. In solch einem Fall ist es wirksam, daß das Eigengewicht des oberen Stempels
erhöht wird, daß das Material der Stempel eine was den Rohling betrifft geeignete
Viskosität hat, daß die Formoberflächen mit einem solchen Material beschichtet sind oder daß
der Rohling auf eine geringfügig höhere Temperatur gebracht wird.
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Unter den, auf den oben erwähnten Tests basierend, bestimmten Bedingungen
kann eine wirkliche Massenproduktion zum Ausbilden von optischen Elementen in zu
jeder Zeit stetiger Qualität durchgeführt werden. Es ist schwierig den Gasdruck in dem
abgeschlossenen Raum während einer Massenproduktion unmittelbar zu überwachen
und zu regeln. Also wird dieser Gasdruck durch die Regelung der Größe der
Verschiebung des oberen Stempels gesteuert. Weiterhin ist es auch schwierig die
Oberflächenviskosität des Rohlings unmittelbar zu überwachen, aber die Oberflächenviskosität kann
durch die Regelung der Temperatur der druckbeaufschlagenden Plattform bzw. des
Formstempels, der formenden Plattform bzw. des Formwerkzeugtischs und der Stempel
ausreichend reguliert werden. Selbstverständlich kann das oben erwähnte
Ausbildungsverfahren auch bei einer bikonvexen Linse, einer Meniskuslinse und dergleichen
angewandt werden.