DE7023010U - Optischer Reflektor - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE '. ', ', , \

DR. CLAUS REINLÄNDER ' ' " '' ' '■ DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT

_Λ D - 8 MÖNCHEN 60 - 1 -

OBTHSTRASSE12

215/1

IiATICIiAL D¹ETUDES ET DE

RECHERCHES AEROSPATIALES.

Optisches Element

Die Erfindung betrifft optische.

Elemente , Reflektoren oder Refraktoren, wie Spiegel, Linsen u.dgl., für optische Beobachtungs- und/oder Lies s ins t runent e.

Bekanntermassen sind zwei Verfahren zur.Heratellung derartiger Elemente üblich: Beim ersten, sogenannten Schnitt-Verfahren geht man von einem vorgefertigten Stück aus stabilem I.iaterial, beispielsweise Metall oder Glas, aus und bringt eine oder die optischen Flächen des vorgefertigten Stückes in eine definierte Form durch Schleifen und Polieren mit Hilfe von materialabtragenden 7/erkzeugen. Daher ermöglicht dieses Verfahren nichts anderes als.die Herstellung von ebenen oder sphärischen Flächen. Dagegen verbietet diese Schleiftechnik die Herstellung von gewölbten Flächen, deren Form von der Kugelform abweicht *

'.Venn die herzustellenden Flächen von unterschiedlicher, z.3. asphärischer Form sein sollen, muss man sich demzufolge ir.it örtlichem Nacharbeiten, entsprechend den zahlreichen Ausführungsformen, behelfen. Diese Arbeitsgänge sind zeitraubend, kostspielig und hinsichtlich des Ergebnisses unsicher. In jedem Falle

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sind diese unvereinbar mit einer Fabrikation von kleinen oder grossen Serien.

Bei einem zweiten, sogenannten Giess—Verfahren, werden die optischen Elemente durch Giessen.thermoplastischer oder warmhärtender Harze hergestellt, und zwar mit Hil fe von Formen aus Glas oder Metall, deren formgebende Flächen grundsätzlich die genaue Form und die erforder liche Ebenmässigkeit besitzen. Aber wegen der diesen Harzen eigentümlichen Eigenschaften und der mit der Verfestigung oder Polymerisation verbundenen Erscheinungen, wie Schrumpfung, thermische Gradienten usw., sind die erhaltenen Elemente von geringer Haltbarkeit und Standfestigkeit. Ebenso.besitzen diese Harze grosse Ausdehnungskoeffizienten, die zu Deformationen füh« ren, sobald sich beim Gebrauch eine Temperaturänderung einstellt. Dieses zweite Herstellungsverfahren ist . praktisch nur zu einer Herstellung vcn Elementen zu gebrauchen, die eine mittelmässige optische Qualität nicht überschreiten, wie Brillengläser, Rückstrahler u.dgl.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

optische Elemente,

wie Diopter, Linsen, Schmidtsche-Platten, Spiegel u. dgl., zu schaffen, und zwar mit einer Genauigkeit, die deren Gebrauch in optischen Instrumenten, wie astronomischen Refraktoren oder Reflektoren, Theodoliten, iotografischen Objektiven u.dgl., ermöglicht.

Ferner soll die Erfindung die Verwendung derartiger Elemente ohne-Nachbearbeitung gestatten· Auch sollen die Elemente verhältnismässig bedeutende Abmessungen

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besitzen können. Ferner sollen die Elemente optische Flächen aufweisen, die von der ebenen Fläche oder der Kugelfläche verschieden, sind; Somit sollen optische Elemente mit triedrlüchen, konkaven oder anderweitig geformten Flächen erhalten werden» welche die Verwendung der optischen Schleif«- und Poliertechnik verbieten. Schließlich soll die Erfindung Reflektoren hoher Qualität, die stabil, leicht und utandfest sind, schaffen.

Ein optisches Element naoh der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen festen Träger und eine dünne Harzsohicht mit sich ändernder Dicke, die an wenigstens einer Fläche des Trägers angeklebt ist und eine optisch-wirksame äußere Oberfläche aufweist.

Die Herstellung des erfindungsgssäßen optischen Elementa ist aus der Technik zur Herstellung von Rastern zur Diffraktion für die Spektralanalyse durch Abdruck abgeleitet. Zur Herstellung von Abdrücken (Replicas) beginnt man mit einem Raster 1. Generation (Haster), indem man auf eine optisch genau bearbeitete Glasplatte eine verhältnismäßig dicke Schicht eines weichen Metalls aufbringt und danach in diese Schicht die Linien oder Sprossen des Rasters eingraviert. Zur Herstellung eir.es Abdruckes wird auf die metallische Oberfläche des Rasters 1. Generation eine antiadhesive Schicht und danach durch Vakuumverdampfung eine dünne Metallschicht aufgebracht, die eine dünne Schicht eines haftenden flüssigen Stoffes überdeckt. Sodann wird auf die Klebeschicht eine optisch bearbeitete Glasplatte gepreßt. Nach Anziehen des Siebstoffes werden die beiden Glasplatten getrennt, und der Klebstoff hält die Metallschicht fest, so daß man auf der zweiten Platte einen Abdruck des Originals, d.h. ein Raster 2. Generation erhält.

Zur Herstellung eines· transparenten oder reflektierenden optischen Elements mit einer optischen Oberfläche bestimmter

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Gestalt werden zwei Elemente dergestalt gebildet: Man verwendet · eine Form, deren v/irksame Oberfläche genau komplementär der herzustellenden optischen Oberfläche ist. Die gekannte icrmgsbende Fläche wird durch die in der Optik verwendete Herstellungstechnik erhalten. Andererseits wird ein Formstück.oder Träger mit einer geometrisch einfach gestalteten, wirksamen Fläche (beispielsweise Ebene, Zylinder, Konus oder Kugel),die soweit als.möglich der gewünschten optischen Fläche entspricht, hergestellt. Eine derartige formgebende Fläche.kann auch durch eine übliche Bearbeitung, wie Fräsen, Drehen und Schleifen.oder d^rch Giessen oder Schmieder hergestellt werden. Die wirksame Fläche der Form wird mit einem antiadhäsiven Material beschichtet, und auf die formgebende Fläche wird darauf sodann ei-.ne Schicht sines flüssigen polymerisierbaren Klebstoffes aufgebracht. Sodann wird das andere Element derart auf das erstere gelegt, dass sich deren wirksame Flächen gegenüberstehen. Darauf wartet man his die Polymerisation stattgefunden hat und trennt die Elemente. Man erhält auf diese V/eise ein stabiles, optisches Element, dessen Körper durc ι den Träger gebildet ist, und dessen optische Oberfläche durch .die dünne Schicht des polymerisierten Klebers definiert ist.

Die wirksame Fläche des Trägers kann konisch, pyramidenförmig, eben, zylindrisch oder sphärisch sein.

Im Falle einos reflektierenden Elements

stellt man die reflektierende optische Fläche beispielsweise durch Metallisierung im Vakuum her.

Im Fall ' eines dioptrischen Elementes

(Linse) besteht der Träger aus einem stabilen, trans-

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OJ-IiU. Zi(VCO. UlJ U^ClwiiO 1* xa^llCll J- 4.1- u^.ü j-> ill WJ. J- u ν n-x-t-v*. .»■.«aw tritt der Strahlen durch zwei obengenannte Arbeite-- gange hergestellt, die gleichzeitig ablaufen können, indem Deide Flächen des Trägers entsprechend mit zwei Formen bearbeitet werden.

In einem Falle ■ setzt man,

nachdem die wirksame.Fläche der Form mit einer Klebeschicht versehen ist, eines der Elemente mit seiner wirksamen Fläche nach oben auf einen Tisch und bringt auf die Lütte der Fläche eine geeignete Menge von flüssigem polymerisierbarem Klebstoff. Durch das Gewicht des anderen Elements, das mit seiner wirksamen Fache auf das erstere aufgesetzt worden ist, erzwingt man die Wanderung der aufgebrachten Klebstoffteilchen an die Peripherie der Elemente, wodurch der Zwischenraum zwischen den beiden Flächen,.obgleich deren Formen nicht genau komplementär sind, ausgefüllt wird.

Das Gewicht des oberen Elements kann durch eine zusätzliche Last vergrössert werden.

Nach der Polymerisation wird die

Trennung der Elemente durch eine leichte Erwärmung eingeleitet. Diese wird derart ausgeführt, dass übermässige Temperaturunterschiede vermieden werden. Sodann zeigt das herzustellende Element eine optische Oberfläche mit der geforderten konkaven oder konvexen 7/ölbung. Bei den zwei elementen wird dasjenige mit konkaver wirksamer Oberfläche so angeordnet, dass diese nach oben weist. I^an erhält so eine gleichmässige Füllung der Zwischenräume und vermeidet Luftblasen in dem Klebemittel. Die Erfindung schafft somit optische Elemente mit beliebiger wirksamer Oberfläche.

Das Trägermaterial kann Glas sein. Zur Herstellung eines Spiegels kann man auch ein beständiges Material, wie ein Silikat oder ein Metall, verwenden. Bei Verwendung eines Metalls wird vorteilhafterweise die gute thermische

Leitfähigkeit ausgenutzt, die oj.ne schnelle ' Resorption ermöglicht und im Gebrauch thermische Gra- | dienten als Ursachen von Verzerrungen der Dimensionen

verringert. :

AIe Klebemittel wird vorzugsweise ein kalt oder bei '; wenig erhöhter Temperatur, z.B. unter 50 C, polymerisierendes Harz verwendet, beispielsweise ein Epoxydharz, dem die erforderlichen Härter und Beschleuniger beigemischt sind, oder ein Gyanoacrylharz.

Zur Herstellung dioptrischer Elemente, beispielsweise · Linsen, wählt man ein transparentes Harz mit einem passenden Brechungsindex und als Träger ein beständiges transparentes Material, beispielsweise ein Glas mit passendem Brechungsindex. Liegt der Brechungsindex des Harzes nahe bei dem des Glases, so ist es nicht nötig, die Trägeroberfläche zu polieren· Aus Gründen der optischen Korrektion strebt man die Wahl eines Glases und eines Harzes an, deren Brechungsindices in deutlicher V/eise voneinander abweichen ,und es empfiehlt sich, den Träger zu polieren, um eine Diffusion eines Teiles des Lichtes an der Grenzschicht Glas - Harz zu vermeiden.

Die wirksame Oberfläche.der Form kann aus jedem Material hergestellt werden, das sich zur optisch genauen Formgebung, wie Schleifen und Polieren, eignet. Bei- · spielsweise kann Glas oder eine Aluminiumlegierung gewählt werden, die mit einer dicken chemishen Nickelschicht bedeckt ist.

Das antiadhäsive Mittel kann eine aus einem Harz, beispielsweise aus einem Vinylharz, verdampfbare Lösung· sein. In zahlreichen Fällen verwerdet man vorzugsweise wegen der geringen Stärke und der Regalmässigkeit

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d.r- ucMclit einen durch Yakuumb edampf ung angebrachten l.o.-illuberzug* Sin derartiger Überzug haftet wenig a-j den Flächen, auf denen er angebracht ist, und wird vollständig durch den polymerisierten Klebstoff festgehalten.

Yfenn die Oberfläche der Form aus Metall besteht, ist die Bedampfung unter verhältnismässig geringem Druck zu bevorzugen, zum Beispiel 10" mm Quecksilbersäule, damit eine ausreichend gute Haftung des Überzugs auf der Formoberfläche gewährleistet ist.

Ist das herzustellende optische Element ein Spiegel, so sollte dieser Metallüberzug zweckmässig Reflsktionseigenschaften haben; ist dagegen.das herzustellende Eleme it ein dioptriscl-es Element, so wird der genannte Überzug durch.ein geeignetes chemisches Reaktionsmittel beseitigt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand de. Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines Ausgangsproduktes für einen Tetraeder-Körper,

Fig.2 eine schematische Ansicht eines Schnittes durch den Träger mit Harzschicht und Tetraeder-JCö.rper und

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines fertigen optischen Elements.

Zunächst wird ein Würfel 10 (Fig.1) aus Glas o.dgl. hergestellt, wobei man die Genauigkeit ausnutzt, welche die optische Technik bietet. Von dem Glaswürfel wird ein Abschnitt in der Mhe einer Ecke des Würfels längs der Ebene 12 abgeschnitten, sodass ein Tetra-

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ed er 13 erhalten wird. Der Tetraeder wird im Vakuum mit Metall bedampft, südass die an die Ecke 11 an« schliessenden Flächen einen dünnen Metallfilm erhalten.

Andererseits wird aus Aluminiumguss (Fig.2) oder auf einem anderen Hersteliungsweg eine Form 20 vorbereitet, dr.e ein Wabenblech 21 enthält, das angenähert die drei Flächen wiedergibt, die bei einem Tetraeder an die Spitze anschliessen. Ein 7/abenblech kann im übrigen durch Ziehen eines Lletallstücks, das genügend verformbar ist, hergestellt werden. Auf den drei Flächen wird ein Überzug aus härtbarem Harz angebracht. (Der Überzug ist in der Figur zum Zweck der besseren Erkennbarkeit stark vergrössert darges+ellt.) Der Überzug wird vorteilhaft durch Pinselauf"rag: hergestellt. Bevor dieser Überzug aushärtet, wird in die Höhlung der uetraedrische Glasblock 13 eingelegt, der auf seinen drei Flächen einen durch.Vakuumbedampfung angebrachten Metallüberzug trägt, ''leim das Gewicht des Körpers 13 nicht dazu ausreicht, den geringen, erforderlichen Druck zur Verdrängung des Harzes zu erzeugen,

\ ; wird auf den tetraedrisehen Körper eine zusätzliche Masse 27 (Fig,2) gelegt..In dem Überzug 22 aus Harz wird ein Abdruck erzeugt, der genau den im rechten 7/inkel stehenden drei Flächen des Tetraeders enspriebt. Darauf lass"- man.die Aushärtung des Harzes bis zum Ende fortschreiten, die von einer Verbindung des Harzes mit dem Metallfilm begleitet ist. Am Ende der Aushärtung wird der Block 13 entfernt. Der Metallfilm löst sich vom Block.und bleibt auf dem ausgehärteten Harzüberzug haften. Man erhält so ein optisches Element, dessen Körper aus der Form 20. besteht, und das drei reflektierende Flächen 24, 25, 26 (Fig.3) besitzt_s die

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zueinander senkrecht stehen und die beispielsweise als Rückstrahler grosser optischer Qualität dienen können.

Die geringe Lienge des verwendeten Harzes ermöglicht es, Deformationen durch Schrumpfung und Kriechen zu vermeiden, die sich zeigen würden, wenn der Körper des optischen Elementes c^{a31£ aus} Harz bestände.

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li ^Der Metallfilm, der auf dem Glasblock durch Vakuumbedampfung niedergeschlagen wird, ist ein Goldnieder^chlag. Zum Abformen wird nicht nur die 7/andang der Form mit einem aushärtenden Harz versehen, sondern das Harz wird in gleicher V/eise auf den triecrischen Pläcnen des metallisierten Glasblocks angebracht. Durch Aneinanderdrücken der Teile an den mit Harz versehenen Flächen wird der Tetraeder und das Ms= tallstück in gleicher V/eise mit Harz bedeckt,

irach dem Aushärten des Harzes und zur Trennung wird die Goidschicht vom Glas abgehoben und bleibt auf dem Harz, das mit derr. I.ietallstück verbunden ist. Das Gold spielt dabei die Rolle des antiadhäsiven Stoffes auf dem Glasblock und zeigt reflektierende Eigenschaften au χ de." Harz.

Vorteilhaft dient als Harz ein Epoxydharz* Man erzielt üute Ergebnisse mit einem unter dem Namen "Araldit ο 7/ 402" bekannten Harz in Verbindung mit einem Härter, der unter der Bezeichnung "SV/ 402" erhältlich ist. In diesem Palie schwankt die Dauer der Polymerisation zwischen 15 und 48 Stunden bei Temperaturen zwischen 22° und 18⁰C.

-±~i§£ii"iiiiiiij§:2§i§£i£l_2£ Es sei die Herstellung eines konkaven Parabolspiegels für einen astronomischen.Reflektor mit eine-. Durchmesser von 200 mm verlangt. Man

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beginnt mit einem Träger, der durch eine gerippte Aluminiumscheibe gebildet wird..Die Scheibe hat mit den Rippen eine Stärke von 10 mm. Die wirksame Oberfläche der- Scheibe besteht aus einer Kugelfläche mit eineiü Krümmungsradius von 1600 mm (Öffnung F : 4). Die wirk^ same Oberfläche der Form besteht aus einem in Glas geschnittenen Paraboloid. Der verwendete Kleber ist ein j Epoxydharz. Nach dem Giensen und der Polymerisation gleicht die Klebeschicht die Veränderungen der Dicke von einigen fr aus, die für die Umwandlung der Kugeloberfläche der Scheibe in die parabolische Fläche erforderlich sind. Das die Rolle eines antiadhäsiven Stoffes spielende Metall und der Reflektor bestehen aus Aluminium, das im Vakuum auf das Glasparaboloid niedergeschlagen worden ist.

Mit der gleichen Werkzeugausstattung können beliebig viele Parabolspiegel hergestellt werden.

^sfi&run^sbeisjjiel^:, ^Is weitere Ausführungsform der Erfindung sei eine Schmidtsche-Platte beschrieben. Die Herstellungsteßhnik entspricht der vorhergehenden Ausführungsform. Als Träger dient eine planparallele. Platte aus Glas mit optischer Oberflächenbearbeitung. Die wirksame Oberfläche der Form besteht aus Glas und ist derart geschnitten, dass sie die komplementäre Form zu der gewünschten Form der Schmidt-Optik ergibt* Der Klebstoff ist ein Araldit-Harz. Die Aluminiuaischicht wird nach der Polymerisation und Trennung mit Hilfe eines basischen Reaktionsmittels entfernt.

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Claims (1)

1* Reoherches Aerospatiales 215/1

Neue Schutzanaprüche

1. Optischer Reflektor mit einem festen Körper, dadurch, gekennzeichnet, daß an wenigstens einer Fläche des Körpers eine dünne Harzschicht mit sich ändernder Dicke anhaftet, die von einer metallischen reflektierenden Schicht bedeckt ist, welche die optisch wirksame Oberfläche des Reflektors bildet.

2. Optischer Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Körpers im wesentlichen sphärisch ist und daß die optisch wirksame Oberfläche parabolisch ist

3. Optischer Reflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht Dickenä Ίerungen in der Größenordnung von Mikron aufweist.

4. Optischer Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper metallisch ist.

5. Optischer Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Glas besteht.

6. Optischer Reflektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper hohl ist.

7. Optischer Reflektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Körpers, die mit der Harzschicht und der reflektierenden Schicht bedeckt ist, durch drei Flächen gebildet ist, die an eine Spitze eines Tetraeders angrenzen.

-2-

7θ21·1·3ΐα»

3. Optischer Reflektor nach einem der -vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daa die reflektierende Schicht eine Gold schicht ist.

9. Optischer Reflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Schich-fc eine Aluminiumschic'Lt ist.

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