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Dokumentenidentifikation DE3346785C3 03.04.1997
Titel Verfahren zur Herstellung einer dicken Glaslinse mit einer asphärischen Linsenfläche
Anmelder Canon K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Matsuzaka, Kenzo, Kawasaki, Kanagawa, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 23.12.1983
DE-Aktenzeichen 3346785
Offenlegungstag 28.06.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.10.1992
Date of publication of amended patent 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G02B 3/02
IPC-Nebenklasse C03C 27/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer dicken Glaslinse mit einer asphärischen Linsenfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 24 10 616 ist gattungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer dicken Glaslinse mit einer asphärischen Linsenfläche bekannt.

Bei diesem Verfahren wird ein in einer Form befindlicher Glaswerkstoff auf 500° bis 600°C erwärmt, wodurch er plastifiziert und sich in seiner Außenkontur der Form anpaßt bzw. mittels Pressens anpaßbar ist, so daß eine Linse gebildet wird. Anschließend wird die Linse abgekühlt. Dieser Abkühlvorgang muß zur Vermeidung von übermäßigen inneren Spannungen relativ langsam durchgeführt werden, wodurch das Verfahren unwirtschaftlich wird. Auch bei einer sehr geringen Abkühlgeschwindigkeit und einer genauen Steuerung des Temperaturverlaufes während der Abkühlung treten im Inneren der Linse und an deren Außenoberfläche unterschiedliche Temperaturzustände auf, die zu inneren Spannungen in der Linse und insbesondere zu unterschiedlichem Schrumpfungs- und Schwindverhalten führen. Es hat sich gezeigt, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Linsen an ihrer Oberfläche nach innen gerichtete Vertiefungen aufweisen, wodurch diese Linsen die an moderne optische Geräte gestellten Präzisionsanforderungen nicht erfüllen.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer dicken Glaslinse mit einer asphärischen Linsenfläche mittels eines Wärmeformungsprozesses zu schaffen, mit dem in einfacher und wirtschaftlicher Weise eine hohe Präzision der Oberflächen der Linse erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß diesen Merkmalen wird mittels des Wärmeformungsprozesses ein dünnes Linsenteil mit einer asphärischen Oberfläche aus anorganischem Glas hergestellt, wobei die axiale Dicke des dünnen Linsenteils lediglich 5 mm oder weniger beträgt. Nach Beendigung der Abkühlung wird somit ein dünnes Linsenteil mit einer asphärischen Oberfläche erhalten, die eine hohe Präzision aufweist. Die der asphärischen Oberfläche entgegengesetzte Oberfläche des dünnen Linsenteils dient deren Befestigung und kann eine geometrisch einfache Form, beispielsweise eine sphärische oder eine ebene Form, aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung einer Linse mit geringer Dicke entsprechend der Formgebung mittels Erwärmung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, die angibt, wie die entsprechend dem Verfahren geformte Linse auf eine andere Linse geschichtet wird,

Fig. 3 den geschichteten Zustand der Linsen gemäß Fig. 2,

Fig. 4 und 5 eine Darstellung, wie die entsprechend dem Verfahren geformten Linsen mit einem Trägerteil beschichtet sind,

Fig. 6 eine Ausführungsform der Gestalt der mit dem Verfahren hergestellten Linse,

Fig. 7A und 7B zwei bei der Herstellung der Linse gemäß Fig. 6 verwendete Linsen, und

Fig. 8 die Formgebungsbedingungen, unter denen die Linse gemäß Fig. 7A geformt ist.

Das dünne Linsenteil erfordert aufgrund seiner geringen Dicke nur kurze Abkühlzeit, wenn es entsprechend der Formgebung mittels Erwärmung hergestellt werden soll. Aufgrund der geringen Dicke entsteht zwischen dem inneren Abschnitt und dem Oberflächenbereich des dünnen Linsenteil auch nur eine kleine Temperaturdifferenz, so daß sich keine störenden Mulden bilden. Deshalb hat das dünne Linsenteil eine optische Oberfläche, die äußerst genau mit der Gestalt der optischen Oberfläche, die in einer Form gebildet ist, übereinstimmt; ferner kann es auch innerhalb kurzer Zeit geformt werden. Ein solches dünnes Linsenteil kann für sich alleine eine gewünschte dicke Linse nicht bilden, und deshalb wird erfindungsgemäß das dünne Linsenteil mit einer Linse oder einem optischen Element gekittet, das flache parallele Flächen hat, so daß eine Linse mit einer gewünschten Dicke hergestellt ist. In anderen Worten: Durch die Teilung einer dicken Linse, die eine lange Abkühlzeit erfordert oder eine Verschlechterung der Oberflächengenauigkeit durch Schrumpfmarken mit sich bringt, wenn die gesamte Linse durch Erwärmung geformt werden soll, wird der Oberflächenbereich der Linse zur Erzeugung eines dünnen Linsenteil der Formgebung mittels Erwärmen unterworfen und mit dem Rest der geteilten Abschnitte gekittet, so daß eine gekittete Linse geschaffen ist, die dick ist und auch eine hervorragende Oberflächengenauigkeit hat. Das Trägerteil, das eine Linse oder parallele flache Flächen umfaßt, und das der erwähnte Rest der geteilten Abschnitte ist, kann eine Linse oder parallele flache Fläche aufweisen, die durch Schleifen auf herkömmliche Art erzeugt sind oder die durch Formgebung mittels Erwärmung ohne der Bildung von Schrumpfmarken hergestellt sind. Insbesondere kann vorteilhaft ein Trägerteil verwendet werden, das eine Linse oder parallele flache Flächen umfaßt, die durch Schleifen hergestellt sind, da hierdurch eine gewünschte Dicke der gekitteten Linse erreicht werden kann. Das dünne Linsenteil kann eine Dicke haben, die geeignet nach Wunsch bestimmbar ist, jedoch als maximale Dicke 5 mm oder weniger, insbesondere 2 mm oder weniger beträgt. Angesichts der Schwierigkeiten bei der Herstellung einer nicht-sphärischen Linse durch Schleifen kann die der gekitteten Fläche gegenüberliegende Oberfläche des dünnen Linsenteils tatsächlich eine nicht-sphärische Fläche sein, wodurch somit eine nicht-sphärische gekittete Linse geschaffen ist. Andererseits beträgt die Dicke des Trägerteils im allgemeinen 5 mm oder mehr.

Als Vorteile, die durch die Herstellung eines dünnen Linsenteils gemäß der Formgebung mittels Erwärmen erreicht werden, sind zu nennen: Keine Oberflächendefekte infolge von Schrumpfmarken wegen der geringen Dicke, verbesserte Homogenität im inneren Bereich und kürzere Arbeitszeit. Auch stehen billigere Werkstoffe, die durch eine Läppmaschine geschliffen bzw. poliert sind, zur Verfügung und verringern somit die Kosten.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines dünnen Linsenteils mit einer geringen Dicke entsprechend einer Erwärmungs- und Druckformgebung aus einer dünnen, flachen, mittels einer Läppmaschine geschliffenen Glasplatte. Fig. 1 zeigt einen Unterdruckbehälter 1 (Vakuumglocke), einen Ständer 2 zum Tragen des Unterdruckbehälters, eine obere Form 3 zum Halten eines zu bearbeitenden Elements (nachstehend als Werkstück bezeichnet), eine zum gleichen Zweck vorgesehene untere Form 4, eine Zylinderform 5, die in enger Berührung mit der oberen Form und der unteren Form steht, einen Formhalter 6 zum Tragen der Zylinderform, ein Gewicht 7 auf der oberen Form, das diese mittels einer Schraube a befestigt und das durch eine Schraube b auch an dem Formhalter befestigt ist, eine Heizeinrichtung 8 zur Erwärmung des Werkstücks, ein Element 9 zur Stützung des Formhalters 6 und der Heizeinrichtung 8, wobei der Formhalter 6 durch eine Schraube c an dem Element 9 befestigt ist und die Heizeinrichtung 8 durch eine Schraube d über eine zwischenliegende Strebe 10 gegen das Element 9 gedrückt wird. An der Unterdruckglocke 1 ist eine Tragsäule 11 befestigt, an der das Element 9 durch eine Schraube e befestigt ist. Ferner sind dargestellt ein Temperaturfühler 12, eine Wasserkühlleitung 13, Leitungen 14 und 15 zum Einleiten von Edelgasen in die Unterdruckglocke, eine Leitung 16 zum Auspumpen der Luft aus der Unterdruckglocke, eine Ölrotationspumpe 17, Ventile 18, 19, 20, 21 und 22, eine Formsenkstange 23 als Träger der unteren Form 4, und ein Luftzylinder 24.

Zunächst wird das Werkstück auf die untere Form 4 gelegt, die obere Form eingestellt und dann der Deckel der Unterdruckglocke geschlossen, gefolgt von einem Stromfluß durch die Heizeinrichtung 8, während eine Wasserströmung durch die Kühlleitung 13 freigegeben ist. Während dieser Betriebsphase sind die Ventile 18 und 19 für die Edelgase geschlossen und die Ventile 20, 21 und 22 für das Evakuiersystem sind ebenfalls geschlossen. Die Ölrotationspumpe 17 ist ständig im Betrieb. Dann wird das Ventil 20 für den Evakuierungsbeginn geöffnet und dann wieder geschlossen, wenn Fluoreszenz im Gysler-Rohr auftritt bzw. das Unterdruckanzeigegerät 10-2 Torr ausweist, gefolgt von einer Öffnung der Ventile 18 und 19 zum Einleiten eines Edelgases, beispielsweise N2 in die Unterdruckglocke. Wenn das Glas auf seinen Schmelzpunkt oder höher erwärmt ist, wird das Werkstück durch die Betätigung des Luftzylinders 24 geformt. Die untere Form 4 besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die Zylinderform 5 und ist vertikal bewegt, wobei sie mit hoher Genauigkeit mit der Zylinderform 5 zusammenpaßt. Anschließend werden, wenn die Temperatur auf 200°C oder geringer abgesenkt ist, die Ventile 18 und 19 geschlossen und das Ventil 21 geöffnet, um Luft in die Unterdruckglocke 1 einzuleiten. Schließlich wird der Deckel der Unterdruckglocke geöffnet, das Gewicht 7 auf der oberen Form entfernt und das Werkstück herausgenommen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird das Werkstück als Meniskus geformt, jedoch kann ein dünnes Linsenteil beliebiger Form durch Änderung der Gestalt der oberen Form 3 und der unteren Form 4 geformt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem das durch Erwärmung geformte dünne Linsenteil geschichtet wird. Es sind dargestellt ein dünnes Linsenteil 31, das mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 geformt ist, eine als Trägerteil dienende Linse 32, deren zu beschichtende bzw. zu belegende Fläche R3 und gegenüberliegende Fläche R4 auf herkömmliche Art und Weise geschliffen sind; die Fläche R2 des dünnen Linsenteils 31 und die Fläche R3 des Trägerteils 32 sind die aufeinanderzulegenden Flächen, die mit der gleichen Krümmung geformt sind. Die Fläche R1 des durch Erwärmung geformten optischen Linsenteils kann mit einer Oberflächengenauigkeit solchen Ausmaßes geformt sein, daß kein weiteres Schleifen bzw. Polieren erforderlich ist. Fig. 3 zeigt eine gekittete Linse, die durch Aufeinanderlegen der Fläche R2 des dünnen Linsenteils 31 auf die Fläche R3 des Trägerteils 32 gebildet ist. Die Fläche R1 des dünnen Linsenteils 31 ist nicht-sphärisch. In Anbetracht der Tatsache, daß die Fläche R1 nach der Erzeugung in einer Form kein Schleifen erfordert, können jedoch Arbeitsaufwand und Zeit im hohen Maße verringert sein, verglichen mit dem herkömmlichen Herstellungsverfahren, wenn die Fläche R1 eine nicht-sphärische Fläche ist.

Das dünne Linsenteil 31 hat entsprechend der Formgebung durch Erwärmung gemäß Fig. 2 Meniskus-Gestalt. Die Meniskus-Gestalt hat annähernd einheitliche Dicke und deshalb kann beim Abkühlen des dünnen optischen Elements an den entsprechenden Abschnitten einheitliche Kühlung erfolgen, wodurch keine abschnittsweisen Unregelmäßigkeiten in der Abkühlgeschwindigkeit auftreten. Folglich kann, auch aufgrund der Tatsache, daß die Dicke des durch Erwärmung geformten Produkts gering gehalten ist, eine nachteilige Auswirkung wie z. B. eine Mulde vollständig verhindert werden.

Die Form des dünnen, durch Erwärmungs-Formgebung gebildeten Linsenteils ist nicht notwendigerweise als Meniskus wie das dünne Linsenteil gemäß Fig. 2 auszubilden. Da das dünne Linsenteil, das durch Erwärmungs-Formgebung erhalten wird, eine geringe Dicke hat, ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, einen solchen Effekt wie Mulden überhaupt zu beachten, selbst wenn seine Gestalt nicht meniskusförmig ist. In diesem Fall sollte die zu beschichtende bzw. zu belegende Fläche vorzugsweise eine flache Fläche sein, da dies zur Belegung eine vorteilhafte Form ist. Fig. 4 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel, wobei eine mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 geformte Linse 33 mit Flach/Konvex-Gestalt und eine als Trägerteil dienende Flach/Konvex-Linse dargestellt sind, deren Fläche R4 auf herkömmliche Art und Weise durch Schleifen erzeugt ist; die flache Fläche R2 des dünnen optischen Elements 33 und die flache Fläche R3 der Flach/Konvex-Linse 34 können zur Bildung einer Bikonvexlinse zusammengeklebt werden.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 4 sind die gekrümmten Flächen R4 der zu schichtenden Trägerteile 32, 34 durch Schleifen nach der herkömmlichen Art gebildet, während die gekrümmte Fläche R4 auch durch Verkittung bzw. Schichtung einer durch Erwärmung geformten Linse mit geringer Dicke gebildet werden kann. Fig. 5 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel mit dünnen, mit der Vorrichtung gemäß der Fig. 1 geformten Linsenteilen 35 und 36, wobei 35 ein Flach/Konvex-Element, dessen Fläche R1 konvex und dessen Fläche R2 flach ist, 36 ein Flach/Konkav-Element, dessen Fläche R5 flach und dessen Fläche R6 konkav ist, und wobei 37 ein paralleles Flachglas ist, dessen beide Flächen R3 und R4 flache Flächen sind. Durch Zusammenkleben der Fläche R2 des dünnen Linsenteils 35 mit der Fläche R3 des Glases 37 bzw. der Fläche R5 des dünnen Linsenteils mit der Fläche R4 des Glases 37 kann als ein Ganzes eine Meniskuslinse erhalten werden.

Beispiel

Es wurde die Konstruktion gemäß Fig. 6 ausgewählt, da die Verwendung einer nicht-sphärischen Oberfläche als ein Teil des einen Varioobjektivs für eine einäugige Spiegelreflexkamera bildenden Objektivs die Kamera verkleinert und gleichzeitig ihre Leistung verbessert.

Die in Fig. 6 gezeigte Linse wurde aus zwei Linsen A und B gemäß den Fig. 7A und 7B hergestellt, wobei erstere (A) entsprechend der Formgebung durch Erwärmen hergestellt wurde, während letztere (B) durch Schleifen in der herkömmlichen Art und Weise gebildet wurde. Für die Linse A wurde ein optisches Flintglas (Typ: üblicherweise mit SF 14 bezeichnet), das zu parallelen flachen Platten geschliffen wurde, als Werkstück verwendet. Das Werkstück wurde in eine Form aus einer hochfesten Legierung gesetzt und gemäß den Formgebungsbedingungen, die in Fig. 8 dargestellt sind, bearbeitet.

Folglich betrug die Oberflächenrauheit 0,03 bis 0,04 µm und die Unregelmäßigkeit der Oberfläche lag innerhalb eines Rings der Newton&min;schen Ringe. Die Brechzahl nd betrug 1,76188 vor der Formgebung und änderte sich zu 1,75874 nach der Formgebung und wurde zu 1,76198 durch allmähliches Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 5°C pro Stunde, ausgehend von 420°C, korrigiert. Nach der allmählichen Abkühlung wurde die Oberfläche auf eine Rauheit von 0,01 µm bzw. geringer behandelt und eine Beschichtung zur Verhinderung der Reflexion auf die Fläche r1 aufgebracht.

Anschließend wurde das so hergestellte dünne Linsenteil mit der entsprechend dem Verfahren des Stands der Technik hergestellten Linse mittels eines durch UV-Strahlen aushärtbaren Klebers NoA61 (hergestellt bei Norand) verkittet, um eine integrierte Linse zu bilden.

Zum Vergleich wurde die Linse gemäß Fig. 6 auch als ein Stück direkt durch Formgebung mittels Erwärmen hergestellt; das geformte Erzeugnis hatte eine Oberflächenunregelmäßigkeit innerhalb von 10 Ringen oder mehr, was für eine optische Fläche eines Fotoobjektivs ungeeignet ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung einer dicken Glaslinse mit einer asphärischen Linsenfläche, wobei eine unter Temperatureinwirkung plastifizierende anorganische Glasmasse in einem Wärmeformungsprozeß in Linsenform gebracht wird,

    dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Wärmeformungsprozesses ein dünnes Linsenteil (31; 33; 35, 36) mit einer asphärischen Oberfläche (R1; R6) aus anorganischem Glas mit einer axialen Dicke von 5 mm oder weniger hergestellt wird,

    daß mittels eines Schleif- oder Polierprozesses ein aus dem gleichen anorganischen Glas bestehendes dickes Trägerteil (32; 34; 37) in Form einer Linse oder eines parallelflächigen optischen Elementes hergestellt wird und

    daß anschließend das dünne Linsenteil (31; 33; 35, 36) mit seiner der asphärischen Oberfläche (R1; R6) gegenüberliegenden Oberfläche (R2; R5) zur Bildung der dicken Glaslinse vollflächig auf eine entsprechend geformte Oberfläche (R3; R4) des Trägerteils (32; 34; 37) gekittet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Linsenteil (31; 33; 35, 36) eine axiale Dicke von etwa 2 mm hat.






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