DE7230488U

DE7230488U - Optischer koerper

Info

Publication number: DE7230488U
Application number: DE7230488U
Authority: DE
Original assignee: Hoya Lens Corp
Current assignee: Hoya Lens Corp
Priority date: 1971-09-01
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1976-11-25
Also published as: CA979302A; US3811753A; AU449182B2; JPS4836850U; FR2150832B1; IT965163B; NL7211967A; JPS5622177Y2; HK477A; AU4620872A; DE2240488A1; GB1407081A; FR2150832A1

Description

» 1 I

- 2. JUU 1976 Lf

Hoya Lens Co., Ltd.

Optischer Körper

Die Neuerung betrifft optische Körper aus Kunststoff, insbesondere solche mit verbessei-tem Oberflächenaufbau, nämlich Brillengläser zur Korrektur der Sehkraft od-rsr zu Schutzzwecken, Objektive und Okularlinsen für Ferngläser, Binokulare oder Fernrohre sowie optische Teile von Fenstern, Türen, Reflektoren und dergleichen.

In der Regel besitzen Kunststoffe ein geringeres Gewicht als Glas, ein sehr hohes Festigkeits-ZGewichtsverhältnis und eine hohe Bruchfestigkeit. Nachteilig an einschlägigen Kunststoffen ist jedoch, daß sie (nur) eine geringe Ober-

flächenhärte aufweisen und folglich mehr oder minder leicht

) zerkratzt werden, daß sich ihre optischen Eigenschaften

iniolge Verfärbung verschlechtern, daß sie durch Einwirkung von UV-Strahlen und Luftfeuchtigkeit einem Abbau unterliegen und daß ihre Beständigkeit gegen Lufteinwirkung gering ist. Kunststoffe eignen sich folglich nicht für eine länger dauernde Verwendung bei gleichbleibender Stabilität. Die geschilderten Nachteile sind Kunststoffen _f innewohnende Eigenschaften und unvermeidlich.

Es hat nun nicht an Versuchen gefehlt, die geschilderteu Nachteile von Kunststoffen zu vermeiden oder auszuschalten. So wurde beispielsweise der Versuch unternommen, auf beide Außenseiten bzw. Oberflächen eines Kunststoffkörpers

-2-

7230488 25.11.76

aus einem glasartigen Material aus Silikaten, wie SiO und SiO₂f bestehende Überzüge einer Stärke von 2 bis 5 u aufzudampfen. Obwohl ein optischer Körper einer solchen Oberflächenbeschaffenheit eine größere Härte, eine bessere Witterungsbeständigkeit und dergleichen erhält, nimmt seine Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung auf 1/15 bis 1/20 der Kunststoffen (üblicherweise) eigenen Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung ab. Hierauf wird später noch eingegangen werden. Aus Sicherheitsgründen sind somit optische Körper der geschilderten Oberflächenbeschaffenheit für den praktischen Gebrauch nicht geeignet.

Der Neuerung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Körper aus Kunststoff zu schaffen, der trotz modifizierter Oberflächenbeschaffenheit die dem Kunststoffsubstrat eigene Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung beibehält, die erforderliche Härte oder Kratzfestigkeit aufweist, gegenüber Lufteinwirkung widerstandsfähiger ist und sich über lange Zeit hinweg sicher gebrauchen läßt.

Gegenstand der Neuerung ist somit ein optischer Körper aus Kunststoff in Form eines Kunststoffsubstrats mit einer Außenschicht aus einem aufgedampften glasartigen ^aterial, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß auf das Kunststoffsubstrat direkt und einseitig ein 1 bis 10 ii starker Überzug aus Silikatsubstanz, wie SiO und SiO₂, aufgedampft ist.

Die Neuerung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

7230488 25.11.76

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine aus einem optischen Kunststoffkörper gemäß der Neuerung bestehende Konkav-Konvexlinse;

Fig. 2 einen Längsschnitt, der die Druck- bzw. Spannungsverteilung in einer üblichen aus Kunststoff beste» henden Konkav-Konvexlinse zeigt;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Linse gemäß Figur 2,

der die Änderung der Druck- bzw. Spannungsverteilung bei Schlageinwirkung auf die Linse zeigt;

Fig. 4 einen Längsschnitt, der die Druck- bzw. Spannungsverteilung bei einer beidseitig, d.h. auf der Innen- und Außenseite beschichteten Linse gemäß Figur 2 zeigt, und

Fig. 5 einen Längsschnitt, der die Druck- bzw. Spannungsverteilung in einer aus einem optischen Kunststoffkörper gemäß der Neuerung gebildeten Konkav-Konvexlinse zeigt.

In der Regel werden Kunststoffe beim Ausformen infolge Restspannungen, die auf eine ungleichmäßige Ausdehnung und Kontraktion beim Formvorgang zurückzuführen sind, doppelbrechend, und zwar unabhängig vom jeweiligen Formgebungsverfahren. Insbesondere bei plattenartigen Preßlingen treten in der Nähe der Oberflächenschicht Spannungen auf, während in der Umgebung des zentralen Inneren Teils Stauchdrucke auftreten.

-4-

7230488 25.1176

Dies läßt sich dadurch feststellen, daß sich beim Auftreffen von polarisiertem Licht auf einen Prüfling die Polarisation durch den Prüfling hindurch in einer Weise fortsetzt, daß sie infolge der Doppelbrechung in zwei Strahlen aufgespalten wird. Die Phasendifferenz zwischen den beiden polarisierten Strahlen läßt sich mit Hilfe eines Polariskops bestimmen. Auf diese Weise können die Phasenrichtungen der Spannung und des Stauchdrucks bestimmt werden.

In den Zeichnungen ist mit der Bezugszahl 1 ein konkavkonvexes Linsensubstrat aus Kunststoff bezeichnet. Mit der Bezugszahl 5 ist eine Kurve bezeichnet, die begrifflich eine Druck- bzw. Spannungsverteilung um eine durch den Beobachtungsmittelpunkt (0) verlaufende senkrechte gedachte Linie 4 zeigt.

Aus Figur 2 geht hervor, daß der Stauchdruck in der Umge

bung des Innenzentrums in einer Richtung (A), bezogen auf die gedachte Linie 4, groß ist, während die Spannung in der Nähe der Innen- und Außenseite 2 und 3 in einer Richtung (B) groß ist.

Aus Figur 3 geht hervor, daß bei Einwirkung einer Schlagkraft (W) auf die Außenseite 2 des Linsensubstrats 1 in Pfeilrichtung teilweise eine Depressionsdeformation eintritt, wobei die gezeigte (Druck- bzw. Spannungs-) Kurve 5 gebildet wird. Insbesondere kommt es an der Außenseite 2 zum Auftreten eines Stauchdrucks und nahe der Innenseite 3 zum Auftreten einer Spannung. Der Stauchdruck löst die ursprünglich nahe der Oberseite 2 des Linsensubstrats vorhandene Spannung ab, während die nahe der Innenseite 3

-5-

7230488 25.1176

·· ·■ · · »Mt (III 1

* » » tit »I

auftretende Spannung zu der ursprünglich nahe der Innenseite 3 vorhandenen Spannung addiert wird. Die nahe der Innenseite 3 (bereits) vorhandene Spannung wird folglich noch weiter- erhöht. Venn nun die erhöhte Spannung die Bindungsfestigkeit der Kunststoffmoleküle übersteigt, sprengt sie die Molekülbindungen, was zu Rissen an den Spannungsstellen führt. Wenn die Spannungskonzentration an Rißendstellen entsteht, breiten sich die Risse letztlich über deii ganzen Körper aus, so daß das Linsensubstrat 1 bricht.

Das Vorhandensein einer Spannung in der Oberflächenschicht eines Preßlings, z.B. eines aus Kunststoff gefertigten optischen Körpers, bedeutet folglich eine gleichermaßen starke Beeinträchtigung der Bruchfestigkeit bei Schlageinwirkung und der Krümmungsbeständigkeit des betreffenden Preßlings,

Aus Figur 4 geht hervor, daß das beidseitig, d.h. auf der Außen- und Innenseite 2 bzw. 3 mit Überzügen 2' bzw, 3¹ bedampfte Linsensubstrat 1 in der Nähe der Außen- und Innenseite 2 bzw. 3 Spannungen aufweist, die 2- bis 3-mal größer sind als bei dem in Figur 2 dargestellten überzugsfreien Substrat. Da die (auf dem Substrat) haftenden Überzüge 2¹ und 3¹ aus" einem infolge seiner Zerbrechlichkeit bruchanfälligen Material bestehen und eine sehr schlechte Bruchfestigkeit bei Schlageinwirkung aufweisen, wird nichtsdestoweniger die Bruchfestigkeit gegen Schlageinwirkung solcher beidseitig mit Überzügen versehener optischer Kunststoffkörper beträchtlich erniedrigt. Eine derartige Bauweise ist folglich derart nachteilig, daß sie praktischen Verwendungszwecken nicht zugeführt werden kann.

-6-

7230488 25.11.76

Ii ι ι « · llii

Andererseits wird erfindungsgemäß - wie dies aus Figur 1 hervorgeht - der überzug 2' lediglich auf eine Oberfläche, d.h. auf die Oberseite 2, des Linsensubstrats in einer Stärke von 1 bis 10 ii aufgedampft. Auf der Innenseite 3 des Linsensubstrats 1 wird dagegen kein Überzug aufgebracht. Obwohl auch in diesem Falle aus den genannten Gründen die Spannung an der Außenseite 2 steigt, ist - wie dies die (Druck- bzw. Spannungsverteilungs-) Kurve 5 von Figur 5 ausweist - die Spannung an der Innenseite 3 (lediglich) durch die Formgebung des Kunststoffkörpers bedingt und diesem eigen. Bei Einwirkung einer Schlagkraft (W) - wie in Figur 3 dargestellt - ist bei dieser Bauweise eines optischen Kunststoffkörpers der Deformationsgrad auf der Oberseite 2 genauso groß wie bei der beidseitig mit Überzügen versehenen Bauweise, er ist jedoch niedriger als bei der unbeschichteten Bauweise. Andererseits ist der Deformationsgrad auf der Innenseite 3 niedriger als bei dem beidseitig mit Überzügen versehenen Linsensubstrat und genauso groß wie bei der unbeschichteten Bauweise,

Aus diesem Grunde sind bei einem neuerungsgemäß ausgebildeten optischen Körper aus Kunststoff, bei ^reichem der Überzug 2' lediglich auf einer Seite, nämlich der Oberseite 2, aufgedampft wurde, die Bruchbeständigkeitseigenschaften gegen Schlageinwirkung, die Härte, die Kratzfestigkeit und die Beständigkeit gegen Lufteinwirkung, d.h. von Eigenschaften, wie sie bei der Formgebung der Kunststoffkörper vorliegen, verbessert, weswegen neuerungsgemäße optische Körper aus Kunststoff über längere Zeit hinweg bei gleichbleibender Stabilität verwendet werden können.

-7-

7230488 25.1176

Um ν ν

fc. %j t* 4 4 ι . * w w s* w

Überzüge 2' einer Stärke von unter 1 η leisten kaum einen Beitrag zur Verbesserung der Kratztestigkeit und Beständigkeit gegen Lufteinwirkung. Andererseits sind auch Überzüge 2* einer Stärke von über 10 u nachteilig und unpraktisch, und zwar nicht nur aus Fertigungsgründen, sondern auch weil bei stärkeren Überzügen als 10 η Risse auftreten können.

Die folgenden Beispiele sollen die Neuerung näher veranschaulichen, la den Beispielen werden optisch® Körper gemäß der Neuerung mit beidseitig, d.h. auf der Innen- und Außenseite, beschichteten optischen Kunststoffkörpern und unbeschichteten optischen Kunststoffkörpern verglichen.

Beispiel 1

Es wurden Kugelfallversuche zur Messung der Bruchbeständigkeit gegen Schlageinwirkung von optischen Körpern aus Kunststoff durchgeführt. Das Testverfahren entsprach im wesentlichen den Testverfahren JIS-T 8146 (Japanese Industrial Standards) und den "American Engineering Standards". Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle I zusammengestellt.

Prüfling At

Aus einem Polycarbonat hergestellte Konkav-Konvexlinse eines Durchmessers von 60 mm und einer Dicke von 2,5 mm, die beidseitig, d.h. auf der Innen- und Außenseite, nach einem üblichen Bedampfungsverfahren mit glasartigen Überzügen aus SiO und SiO₂ einer Stärke von 5 Ά bedampft worden

-8-

7230488 25.1176

Prüfling Bs

Linse aus demselben Ausgangsmaterial wie der Prüfling A, bei der jedoch lediglich auf eine Seite, nämlich auf die Oberseite, ein Überzug aufgedampft worden war (optischer Körper aus Kunststoff gemäß der Neuerung).

Prüfling C;

Linse entsprechend der Bauweise und Form wie der Prüfling A, bei welcher jedoch kein Überzug aufgedampft worden war.

In der Tabelle I ist das prozentuale Auftreten von Rissen und/oder ^ruch der jeweiligen Prüflinge im Rahmen des im folgenden geschilderten Tests angegeben,, Für jeden Prüfling A, B und C wurden 50 Teststücke hergestellt. Jedes Teststück wurde mit der Außenseite bzw* der konvexen Oberfläche, d.h. der Oberseite, nach oben auf einen aus Stahl bestehenden, ringförmigen Träger eines entsprechenden Durchmessers wie der Prüfling und einer Dicke von 5 mm gelegt. Auf die Teststücke des Prüxiings A wurden 5 g schwere Stahlkugeln in freiem Fall von einem Punkt direkt oberhalb der Teststücke fallengelassen. Auf die Teststücke der Prüflinge B und C wurden in gleicher Yfeise in freiem Fall 28 g schwere Stahlkugeln fallengelassen. Auf diese Weise wurde auf das Zentrum jeden Teststücks eine Schlagkraft ausgeübt.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.

-9-

7230488 25.11.76

Tabelle I
Prozentuales Auftreten von Rissen und/oder Bruch der Prüflinge

Prüfling

Stahl- Fallhöhe kugel

30 cm 40 cm 50 cm 60 ce 70 cm

%-uale Riß- und/oder Bruchstellenbildung

096 10% 50% 80% 100%

Prüf- Stahl- Fallhöhe ling kugel

B 28 g %-uale Riß- und/oder Bruchstellenbildung

160 cm 170 cm 180 cm 190 cm 200 cm 0%

0%

10% 40% 80%

Prüf- Stahl- Fallhöhe ling kugel

C 28 g %-uale Riß- und/oder Bruchstellenbildung

Beispiel 2

160 cm 170 cm 180 cvi 190 cm 200 cm

20% 60%

Aus jedem der Prüflinge Bund C gemäß Beispiel 1 wurden Teststücke gefertigt. Jeweils 1 Paar Teststücke wurde in den rechten und linken Teil eines einzigen Brillengestells eingesetzt. Die hierbei erhaltenen Brillen wurden 80 Tage lang getragen. Hierauf wurden die "Brillengläser" visuell auf ihre Kratzfestigkeit beurteilt. Hierbei wurden die in der folgenden Tabelle II zusammengestellten Ergebnisse erhalten.

-10-

7230488 25.11.76

Tabelle II
Beurteilung der Kratzfestigkeit

Prüfling Bewertung nach

10 20 30 40 50 60 70 80 Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen Tagen

B Außenseite ο ο oo ο + + +

Innenseite ο oo + + + +++

C Außenseite ο + ++ ++ ++

Innenseite ο ο + + +

Bemerkungen: 1

Es ist offensichtlich, daß mit dem Prüfling A zumindest gleichwertige Ergebnisse erreicht werden als mit dem Prüfling B, weswegen mit dem Prüfling A kein Kratzfestigkeitstest durchgeführt wurde.

Symbole:

ο praktisch keine Kratzer

+ undeutliche Kratzer ++ deutliche Kratzer +++ größere Anzahl an deutlichen Kratzern

Aus Beispielen 1 und 2 geht hervor, daß der Prüfling B, d.h. ein optischer Körper aus Kunststoff gemäß der Neuerung, dem Prüfling A, d.h. einem beidseitig mit einem Überzug versehenen optischen Körper aus Kunststoff, in der Bruchfestigkeit gegenüber Schlageinwirkung und dem Prüfling C, d.h. einem unbeschichteten optischen Körper aus Kunststoff, in

-11-

7230488 25.1176

• ·

• ItI

, , » · · I lit

- 11 -

der Kratzfestigkeit überlegen 1st. Bel diesen Eigenschaften eignen sich optische Körper aus Kunststoff gemäß der Neuerung In hervorragender Welse für langer dauernden Gebrauch bei gleichbleibender Stabilität.

-12-

Claims

t ■ * • I • I · - 12 - S c h u t ζ a η s ρ r ü c h e

1. Optischer Körper aus Kunststoff in Form eines Kunststoffsubstrats mit einer Außenschicht aus einem aufgedampften glasartigen Material, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Kunststoffsubstrat (1) direkt und einseitig ein 1 bis 1Ou starker Überzug aus Silikatsubstanz, wie SiO und SiO₂, aufgedampft ist.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine konvexe Oberseite (2) und eine konkave Innenseite (3) aufweist und eine Konkavkonvexlinse bildet.

3. Körper nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch geJrennzeichnet, daß sein Kunststoff substrat (1) aus einem Polycarbonat besteht.

7230488 25.11.76