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Verfahren zum Herstellen optisch wirksamer Körper mit asphärischen
Begrenzungsflächen Es ist bereits bekannt, Linsen und besonders Brillengläser aus
Polystyrol anzufertigen. Obwohl die Verwendung dieses Werkstoffes und auch die anderer
preßbarer und in ähnlicher Weise fertigbarer Werkstoffe Vorteile bietet, sind aus
solchem Werkstoff hergestellte Linsen verhältnismäßig ungenau und weisen in nur
ungenügendem :Maße die erforderliche Festigkeit auf. Auch ist es bekannt, solchen
aus Styrol bestehenden Linsen Zusätze beizufügen, die das Auftreten von Rissen und
ähnlichen optisch störenden Erscheinungen verhindern sollen. Linsen dieser Art können
nach dem Spritzgußverfahren hergestellt werden, und es können ihnen ohne Schwierigkeiten
Grenzflächen gegeben werden, die ungleich einer Kugelfläche sind. Bekannt ist auch,
daß dieser Werkstoff außerordentlich gut an Glas haftet, wodurch die Möglichkeit
gegeben ist, ein aus Glaslinsen und Linsen aus Styrol bestehendes optisches System
dadurch herzustellen, daß der geeignet gestaltete Zwischenraum
zwischen
zwei Glaslinsen mit dem mit Zusatz versehenen Styrol ausgegossen wird.
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Bekannt ist außerdem, Glaslinsen in Gelatinelösungen einzutauchen
und sie dadurch mit dünnen, lichtschützenden Überzügen zu versehen, welche aber
in bezug auf die optischen lichtbrechenden Eigenschaften der Linse ohne Bedeutung
sind; es wird gerade im Gegenteil beabsichtigt, diese Überzugsschicht möglichst
gleichmäßig und homogen anzubringen, weil sie nur zum Schutz dienen soll.
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Von dem eingangs erwähnten bekannten Vorschlag wird nun bei der Erfindung
in einer bestimmten Anwendung Gebrauch gemacht, und zwar sollen nach diesem Prinzip
optisch wirksame Körper mit asphärischen Begrenzungsflächen hergestellt werden,
indem erfindungsgemäß als Ausgangsmaterial ein fertigbearbeiteter, mit ebenen oder
sphärischen Begrenzungsflächen versehener Glaskörper benutzt wird, der mit einer
Schicht eines durchsichtigen, verformbaren Werkstoffes überzogen wird, welche durch
Pressen oder Schrumpfen unter einem Formwerkzeug eine asphärische Oberfläche erhält.
Auf diese Weise ist es in sehr einfacher Weise möglich, ein asphärisches optisches
Element zu erhalten, das nicht mehr geschliffen und poliert zu werden braucht, da
die Verwendung der Kunststoffschichten die Möglichkeit einer Anfertigung der asphärischen
Oberfläche in einer »nicht spanabhebenden« Bearbeitung ermöglicht.
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Die Überzugsschicht kann nun erfindungsgemäß aus einer Kunstharzsorte
oder aus einem gehärteten, in ungehärtetem Zustand gelatinierbaren Stoff bestehen.
Vorzugsweise ist die Dicke der Überzugsschicht bzw. der entsprechenden Schichten
an ihrer dünnsten Stelle kleiner als ein Dreißigstel ihres größten Durchmessers.
Verformt wird die Überzu- sschicht vorzugsweise mit Hilfe einer Matrize. Beispielsweise
wird eine Lösung des in ungehärtetem Zustand in. gelöster Form gelatinierbaren Stoffes
in eine den Glaskörper am Boden enthaltende Form von unter Berücksichtigung der
Schrumpfung dieses Stoffes gewählter Gestalt und Ausmaß ausgegossen, so daß er nach
Gelatinierung und Eintrocknung die erwünschte Form annimmt. Bei einer nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten optischen Linse, einem solchen Prisma od. dgl. kann dann
der die Überzugsschicht mit der asphärischen Oberfläche tragende Glaskörper auf
der von dieser Schicht abgekehrten Seite durch einen anderen, zur Optik gehörenden
Teil geschützt sein. Als Werkstoffe für die bei niedriger Temperatur (einer Temperatur
von 300° C oder niedriger) verformbare Überzugsschicht können zahlreiche anorganische
und organische Stoffe verwendet werden, so bestimmte Kunstharze und manche Naturharze,
beispielsweise bestimmte Benzyl-Zellulose-Preßmassen, Phenoplaste, Aminoplaste oder
auch eine Nitrozellulose-Preßmasse, in der Nitrozellulose als Lösungsmittel für
bestimmte Stoffe dient und wobei das unter dem Handelsnamen »Trolyt F« bekannte
Produkt erhalten wird; auch gewisse synthetische Lacksorten können in Frage kommen.
Als Kunstharze können unter anderem polymerisierte Vinyl-Verbindungen, wie Polystyrol,
Mischpolymerisate, gewisse gießbare Harze, z. B. gießbare Phenolharze, methacrylsaure
Ester u. dgl. genannt werden. Auch durchsichtiger Kautschuk, ferner natürlicher
Gummi (Latex), Japanlack, Kopal- und Damarlack kommen in Frage.
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In Abhängigkeit von der Natur des Werkstoffes kann man den hieraus
bestehenden Teil des erfindungsgemäßen optisch wirksamen Körpers durch Pressen,
Preßguß, Spritzen, Spritzguß in die erwünschte Form bringen, ohne daß es einer spanabhebenden
Bearbeitung bedarf. Manche dieser Stoffe sind thermoplastisch. Ein aus solchem Werkstoff
bestehender optischer Teil kann, nachdem er in seine endgültige Form übergeführt
worden ist, durch Erhitzung wieder plastisch gemacht werden, so daß sowohl der Werkstoff
dieses optischen Teils wie auch sein Ausgangsmaterial bei niedriger Temperatur bildsam
sind. Andere verformbare Werkstoffe weisen diese Eigenschaft nicht auf, da eine
physikalische und/oder chemische Änderung im Werkstoff auftritt.
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Wie bereits erwähnt, kann die Überzugsschicht auch aus einem in gelöstem
Zustand gelatinierbaren Stoff bestehen, wobei unter »gelatinierbarer Stoff« alle
diejenigen Stoffe verstanden werden, welche in einer Lösung kolloidal verteilt und
aus dieser Lösung als Gel abgesondert werden können; unter einem »Gel« wird ein
festes Material verstanden, welches Starrheit verbunden mit Elastizität besitzt.
Für diesen Zweck geeignete und in gelöstem Zustand gelatinierbare Stoffe können
organische Bestandteile enthalten, z. B. Gelatine, Agar-Agar und Pektin, andererseits
aber auch organische Komponenten, wie z. B. Silikate oder Aluminiumoxyd, gegebenenfalls
auch eine Beimischung von Glyzerin zur Erhöhung der optischen Homogenität. In Abhängigkeit
vom Stoff wird das Lösungsmittel derart gewählt, daß eine gelatinierbare Lösung
erhalten wird; für Gelatine wählt man beispielsweise Wasser als Lösungsmittel.
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Ein solcher optisch wirksamer Teil kann auch während des Eintrocknens,
z. B. mit Hilfe von Formalin, gehärtet werden.
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Die Anwendung eines derartigen gelatinierbaren Stoffes bietet den
Vorteil, daß durch die während des Eintrocknens des Gels auftretende Schrumpfung
die Form, in die die gelatinierbare Lösung eingebracht wird, erheblich größere Ausmaße
aufweisen kann, als der mittels dieser Form anzufertigende optische Teil im Endzustand
aufweisen soll. Diese Schrumpfung kann einen zwischen Faktoren der Größenordnung
von 3 und der Größenordnung von 5o gelegenen Wert aufweisen. Dadurch, daß man der
Konzentration des gelatinierbaren Stoffes eine bestimmte Höhe erteilt, kann man
im voraus genau bestimmen, wieviel die Schrumpfung in einem bestimmten Fall betragen
wird. Wählt man z. B. den Schrumpfungskoeffizienten S, so kann ein Elementteil aus
einem gelatinierbaren Stoff mit Dickenunterschieden von 0,3 mm in einer Form
angefertigt werden, in der die Höhenunterschiede, welche diese Dickenunterschiede
erzeugen sollen,
2,4 mm betragen. Die Form kann also sehr genau
in vergrößertem Maßstab mit Bezug auf das Produkt angefertigt werden, was einen
Vorteil darstellt.
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Es wurde bereits bemerkt, daß die mechanische Widerstandsfähigkeit
des erfindungsgemäßen optischen Elementes hauptsächlich durch eine in dem Element
vorhandene anorganische Schicht bedingt ist. Infolgedessen können bei einer günstigen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elementes die Schichten, von denen
wenigstens das Ausgangsmaterial bei niedriger Temperatur verformbar ist, sehr dünn
ausgeführt werden, so daß bei dieser Ausführungsform letztere an ihrer dünnsten
Stelle eine Dicke von weniger als einem Dreißigstel ihres größten Durchmessers aufweisen
können. Dieses bietet den Vorteil, daß der aus diesem Werkstoff bestehende Elementteil
sehr dünn ausgeführt werden kann, so daß es ausgeschlossen ist, daß große Dickenunterschiede
in dem Elementteil während der Fertigung zu Inhomogenitäten führen können.
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Das erfindungsgemäßeoptischeElement eignet sich besonders zur Verwendung
in optischen Systemen, in denen die Oualität eine ausschlaggebende Rolle spielt,
wie dieses z. B. bei Feldstechern, Photographenapparaten, Projektionsapparaten,
Spektographen, Mikroskopen und derartigen Instrumenten der Fall ist. Dieses trifft
besonders dann zu, wenn in Richtung der optischen Achse die Dickenunterschiede in
dem Elementteil, der aus einem bei niedriger Temperatur verformbaren Werkstoff cder/und
Ausgangsmaterial besteht, klein, etwa kleiner als 2 mm sind. Wahrscheinlich ist
die bei diesen geringen Dickenunterschieden auftretende große: Genauigkeit auf die
Tatsache zurückzuführen, daß während der Anfertigung des Elementteiles praktisch
keine Inhomogenitäten in dem Werkstoff auftreten.
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Das erfindungsgemäße optische Element hat insbesondere Vorteile, wenn
dieses eine oder zwei nicht sphärische brechende Oberflächen aufweisen soll. Die
Erzeugung derartiger nicht sphärischer Oberflächen aus Glas ist verhältnismäßig
kostbar, da das Schleifen derartiger Oberflächen praktisch immer von Hand erfolgt.
Diese Schwierigkeit kann dadurch behoben werden, daß man das betreffende optische
Element in der oben angegebenen Weise ausführt. Die nicht sphärische brechende Oberfläche
kann dann in Form einer dünnen Schicht durch Pressen aus dem bei niedriger Temperatur
verforntbaren Werkstoff oder durch eine ähnliche Bearbeitung oder auch durch Gelatinieren,
Trocknen und gegebenenfalls Härten aus einer Lösung angefertigt werden. Eine derartige
dünne Schicht kann dann auf einer ebenen oder sphärischen anorganischen Platte,
z. B. einer Glasplatte, angeordnet werden. Diese anorganische Schicht oder Platte
kann also durch Anwendung der Erfindung, durch mechanisches Schleifen, in die gewünschte
Form übergeführt werden und braucht, was das Wesentliche ist, nicht einem komplizierten
Handschleifverfahren unterzogen zu werden. Es ist klar, daß auch beiderseits einer
Glasplatte oder Linse derartige Schichten befestigt werden können.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Elementes ist die anorganische Schicht planparallel ausgeführt. Diese Ausführung
hat insbesondere Vorteile, wenn die Schicht aus einem bei niedriger Temperatur verformbaren
Ausgangsmaterial sehr dünn ist, in welchem Fall die organische Schicht praktisch
ausschließlich zur Abstützung dient.
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Der Erfinder hat gefunden, daß das erfindungsgemäße optische Element
besonders vorteilhaft als Bestandteil eines optischen Systems verwendet werden kann,
wie z. B. in dem von S ch m i d t, das in der »Zentralzeitung für Mechanik und Optik«,
Jg. 52, Heft 2, beschrieben ist, in dem ein Element zur Korrektion der im System
auftretenden sphärischen Abweichung vorgesehen ist. Es ist bekannt, bei derartigen
Systemen einer ursprünglich ebenen Glasplatte durch Oberflächenschliff die erwünschte
korrigierende Wirkung zu erteilen. Ein derartiges Schleifverfahren ist jedoch äußerst
kostspielig, weil die auftretenden Dickenunterschiede in der zur Korrektion dienenden
Oberfläche der Glasplatte sehr klein sind, und zwar in den meisten Fällen nur von
der Größenordnung von einigen Zehntelmillimetern. Da in einem derartigen Fall dem
Korrektionselement die Aufgabe zufällt, eine lediglich korrigierende Wirkung auszuüben,
wird es in dem paraxialen Gebiet optisch unwirksam sein. Wenn man die Erfindung
anwendet, so kann man die betreffende Glasplatte planparallel ausführen und auf
dieser das z. B. in einer Matrize gepreßte oder in einer Form aus einem gelatinierbaren
Stoff geformte Korrektionselement befestigen. Die Matrize kann dann zur Anfertigung
einer beliebig großen Anzahl von Korrektionselementen verwendet werden.
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Erfindungsgemäß empfiehlt es sich, in einem derartigen optischen System
die von der anorganischen, das Korrektionselement tragenden Schicht abgewendete
Seite dieses Elementes durch ein anderes Systemelement schützen zu lassen, das z.
B. von einer Linse, einem Spiegel, einer Glasplatte od. dgl. gebildet sein kann.
In einem Objektiv kann man ein derartiges Korrektionselement z. B. auf einer der
Objektivlinsen anordnen, und zwar derart, daß das Element durch die Linse, auf der
es angeordnet ist, und/oder durch die anderen Linsen gegen Berührung oder Beschädigung
von außen her geschützt ist.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße optische Element derart angefertigt,
daß auf der organischen Schicht als Träger die durchsichtige Schicht, von der wenigstens
das Ausgangsmaterial bei niedriger Temperatur verformbar ist, mit Hilfe einer Matrize
durch Pressung, Preßguß, Spritzen oder Spritzguß aufgebracht wird. In manchen Fällen
wird die durchsichtige Schicht von selbst am Träger haften, in anderen Fällen wird
zur Befestigung der Schichten aneinander ein zu diesem Zweck geeigneter Klebstoff
angewendet.
Wenn erfindungsgemäß der Stoff, von dem wenigstens das
Ausgangsmaterial bei niedriger Temperatur verformbar ist, von einer gelatinierbaren
Substanz gebildet wird, wird vorzugsweise über der anorganischen Schicht als Unterlage
eine Form von geeigneten Abmessungen angeordnet und die gelöste gelatinierbare Substanz
in diese eingebracht. Nach dem Gelatinieren und Trocknen des gelatinierbaren Stoffes
befindet sich auf der anorganischen Unterlage eine aus der gelatinierten Substanz
bestehende Schicht von den beabsichtigten Abmessungen, welche durch die Formgebung
der Form und den Schrumpfungsgrad die erwünschte Gestaltung aufweist. Da sich diese
Schicht während der Formung an der Unterlage anheftet, wird die beschriebene Schrumpfwirkung
ausschließlich in Richtung der optischen Achse des Elementes erzielt.
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Die Erfindung wird an Hand einiger Figuren näher erläutert.
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In Fig. i ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Elementes wiedergegeben, bei- der auf einer planparallelen Glasplatte i eine Latexschicht
2 angeordnet ist. Die letztgenannte Schicht ist an ihrer von der Glasplatte abgewendeten
Seite kugelig ausgeführt. Aus der Figur ist ersichtlich, daß diese Latexschicht
sehr dünn ist und daß sie an sich nicht die erforderliche Festigkeit besitzen würde.
Dieser Übelstand wird durch das Vorhandensein der dem optischen Element die erforderliche
mechanische Stärke erteilenden Glasschicht i behoben.
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In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform abgebildet, bei der auf
der einseitig sphärisch ausgeführten Glasplatte 3 eine durchsichtige Schicht. angeordnet
ist, welche aus einer Benzylzellulosepreßmasse besteht. Diese letztere, welche eine
Korrektion auf die Wirkung der Linse 3 ausüben soll, hat an ihrer vom Glas abgewendeten
Seite eine nicht sphärische, rotationssymmetrische Oberfläche, welche mit einfachen
Hilfsmitteln in die Benzvlzellulose Preßmasse eingepreßt werden kann. Durch die
angegebene Ausführung wird vermieden, daß der Glasoberfläche selbst die abgebildete,
in schleiftechnischer Hinsicht komplizierte Form durch Schleifen erteilt werden
muß.
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In Fig. 3 ist ein aus drei Linsen 5, 6 und 7 bestehendes, in einer
Metallbuchse 8 gefaßtes Objektiv abgebildet. Auf der Linse 5 ist ein aus Polystyrol
bestehendes Korrektionselement 9 befestigt. Durch das Vorhandensein der Linsen 5,
6 und 7 sowie der Buchse 8 ist eine Beschädigung oder Berührung des Elementes 9
unter normalen Umständen ausgeschlossen. Deutlichkeitshalber sind die Abmessungen
des Elementes 9 in der Richtung der optischen Achse des Objektivs zu groß abgedichtet.
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In den Fig. q. und 5 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optischen Elementes wiedergegeben, bei der auf einer planparallel ausgeführten Glasschicht
io ein nicht kugeliger, rotationssymmetrischer Körper i i angeordnet ist, der aus
einem in gelöster Form gelatinierbaren Stoff besteht. Die Glasschicht io muß als
Träger des Korrektionselementes i i -in dem optischen System nach Schmidt dienen.
Ein derartiges Element kann in der in Fig. q. dargestellten Weise angefertigt werden.
Hierbei dient die Glasschicht io als Unterlage, während über dieser Glasschicht
eine hohl ausgeführte Form 12 angeordnet ist. Der Innenraum dieser Form ist mit
zwei zur Zu- und Abfuhr des Wassers dienenden Leitungen 13 und 14 versehen, wodurch
die erwünschte Temperatur der Form aufrechterhalten wird. Ferner weist die Form
eine zentrale Durchbohrung 15 auf, welche als Zuführungsleitung für den Werkstoff
16 dient, aus dem der Körper i i angefertigt werden soll. Dieser kann z. B. aus
Wasser bestehen, in dem Gelatine in einer bestimmten, der erwünschten Schrumpfung
entsprechenden Konzentration gelöst ist. Die Form 12 wird durch das durchströmende
Wasser auf einer Temperatur gehalten, bei der das Gelatin noch in Lösung bleibt.
Bei allmählicher Herabsetzung der Temperatur der Form (gegebenenfalls auch der Glasplatte)
gelatiniert sich die Lösung i6 und bildet ein Steifheit und doch auch Elastizität
aufweisendes Gel. Die Form 12 kann nunmehr entfernt werden, und es bleibt die gelatinierte
Masse 16 auf der Platte io zurück. Wenn diese Masse getrocknet wird, so schrumpft
sie in senkrechter Richtung, so daß die obere Oberfläche der nunmehr aus reiner
Gelatine bestehenden Masse i i den durch die punktierte Linie 17 angegebenen Verlauf
annimmt. Gleichzeitig hat sich diese Masse an der Platte io angeheftet, so daß in
waagerechter Richtung praktisch keine Schrumpfung auftritt. Schließlich wird der
Rand der Gelatinemasse außerhalb der Linien 18 und i9 abgeschnitten, und es kann
die Gelatine erwünschtenfalls z. B. mit Hilfe von Formalin gehärtet werden. Man
erhält dann das optische Element nach Fig. 5, welches mit Erfolg als solches in
dem obenerwähnten optischen System von Schmidt angewendet werden kann.