DE2341839C3 - Linsenrasterplatte und Verfahren zu Ihrer Herstellung - Google Patents
Linsenrasterplatte und Verfahren zu Ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Linsenrasterplatte aus mehreren nebeneinander angeordneten Linsen mit
parallel oder winklig zueinander verlaufenden optischen Achsen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein
Verfahren zur Herstellung einer solchen Linsenrasterplatte.
Eine Linsenrasierplatte, vergleichbar mit dem Aufbau
eines Fliegenauges, dient vor allem zur Aufnahme und Abbildung von stereoskopischen Bildern. Weiterhin
dienen solche Limsenrasterplatten seit kurzem auch zur Bündelung von Lichtstrahlen, die von mehreren
Lichtquellen ausgesendet werden (z. B. eine Reihe von Laserdioden).
Ein Beispiel einer solchen Linsenrasterplatte, vergleichbar mit einem Insektenauge, ist in der japanischen
Patentanmeldung Nr. 12 820/72 mit dein Titel »A fly's eye lens having light focussing light guide« vorgeschlagen
worden. Die Linsenrasterplatte gemäß dieser Anmeldung besteht aus einem Bündel einer größeren
Anzahl von faserartigen Lichtleitern, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der proportional mit
dem Quadrat des radialen Abstandes von der zentralen Achse abnimmt. Um eine solche Linsenrasterplatte
herzustellen, mußte zunächst das Lichtleitbündel hergestellt und dann die gewünschte Länge abgeschnitten
werden. Obgleich diese Herstellungsmethode insoweit
von Vorteil ist. als ein sphärischer Schliff von
herkömmlichen Linsen nicht notwendig ist, besteht das Problem, daß die Herstellung des Faserbündels mit
parallel verlaufenden Lichtleitachsen von hoher Genauigkeit einen großen Arbeitsaufwand erfordert und
daß die Lichtleiter beim Abscheiden häufig in Mitleidenschaft gezogen werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Linsenrasterplatte
der eingangs genannten Art und em Verfahren zur Herstellung einer solchen Lm.enrasterplatte
anzugeben, wobei die Verwendung von zu BündeH zusammengesetzter einzelner faserstabförmiger
Lichtleiter vermieden wird. Dabei soll die Linsenrasterplatte nebst dem Herstellungsverfahren
vor allem für die Massenproduktion gut geeignet sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelost, daß die Linsen in Form einzelner zylinderförmiger
Bereiche in einem einstückigen transparenten Körper ausgebildet sind, die sich zwischen zwei
gegenüberliegenden Begrenzungsflärhen des Körpers >o
erstrecken, wobei die zylinderförmigen Bereiche einen höheren Brechungsindex aufweisen als die übrigen
Bereiche des Körpers und der Brechungsindex jedes zylinderförmigen Bereiches senkrecht zu seiner Achse
radial nach außen stetig abnimmt.
Dabei enthält der transparente Korper wenigstens eine erste lonenart. die in den zylinderförmigen
Bereichen von den Achsen zu den Umfangen im abnehmenden Maße durch wenigstens eine zweite
lonenart ersetzt ist. die den Brechungsindex stärker erhöht als die erste lonenart.
Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen den benachbarten zylinderförmigen Bereichen größer als
der Durchmesser der zylinderförmigen Bereiche.
Der transparente Körper kann plattenförmig ausge bildet sein und ebene Begrenzungsflächen aufweisen. Er
kann aber auch zylindrische Begren/ungsflächen aufweisen. Die zylinderförmigen Bereiche können einen
kreisrunden oder elliptischen Querschnitt aufweisen.
Ein Verfahren zur Herstellung der Linsenrasterplatte besteht darin, daß in einem ersten Verfahrensschritt die
zylinderförmigen Bereiche des transparenten Körpers durch Ionenwanderung entlang Feldlinien eines angelegten
elektrischen Feldes hergestellt werden, wobei wenigstens eine erste lonenart des transparenten
Körpers innerhalb der zylinderförmigen Bereiche durch wenigstens eine zweite lonenart aus oinem lonenbad
ersetzt wirJ und daß der transparente Körper anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt zur
Erzeugung eines Brechungsindexgradienten derart erhitzt wird, daß die erste lonenart außerhalb der
zylinderförmigen Bereiche des transparenten Körpers in die zylinderförmigen Bereiche hinein- dnd die zweite
lonenart aus den zylinderförmigen Bereichen herausdiffundieren.
Dabei wird vorteilhafterweise derart verfahren, daß auf die eine Begrenzungsfläche des transparenten
Körpers eine die elektrische Ionenwanderung unterbindende maskenartige Schicht aufgebracht wird, die zur
Bildung der zylinderförmigen Bereiche den Querschnitten der Bereiche entsprechende öffnungen aufweist,
daß auf die andere im wesentlichen zur ersten Begrenzungsfläche parallele Begrenzungsfläche eine
Schicht auf einer elektrisch leitenden Substanz aufgebracht wird, die befähigt ist, die erste lonenart des
transparenten Körpers aufzunehmen, daß der transparente Körper mit der maskenartigen Schichtseite in eine
Lösung getaucht wird, die die zweite lonenart enthält, daß zwischen der elektrisch leitenden Schicht uno der
Lösung mit dem /wischenliegenden transparenten
Körper ein elektrisches Feld angelegt wird, demzufolge die zweiten Ionen entlang Feldlinien durch die
Öffnungen in der maskenartigen Schicht in den transparenten Körper hineinwandern, während die
ersten Ionen aus den durch die öffnungen bestimmten Bereichen des transparenten Körpers entlang den
Feldlinien in Richtung der leitfähigen Schicht herauswandern, und daß anschließend der transparente
Körper zur gegenseitigen Wärmediffusion der ersten und zweiten lonenarten innerhalb des tiansnarenten
Körpers erhitzt wird.
Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens können den weiteren Unteransprüchen entnommen werden.
An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Linsenrasterplatte sowie ein Verfahren zu Ihrer
Herstellung im einzelnen beschrieben. In den Zeichnun
gen zeigt bzw. zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung für den ersten Verfahrensschritf zur Herstellung zylinderförmiger
Bereiche innerhalb dos transparenten Körpers durch Ionenwanderung im elektrischen Feld,
F i g. 2 ein Beispiel für eine maskenartige Schicht zur
Verw endung in der Anordnung narh Fig. 1.
F 1 g. 3a, 3b, 3c Brechungsindexverteilungen in einem
langgestreckten transparenten Körper mit einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung.
Fig. 4 einen gekrümmten transparenten Körper mit
einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die prinzipielle Anordnung zur Durchführung der Ionenwanderung
bzw. des lonenaustauschs als den einen Verfahrensschritt zur Herstellung der Linsenrasterplatte.
Hierbei handelt es sich um Linsenrasterplatten. die mit Insektenaugen vergleichbar sind. Mit 11 ist ein
transparenter Körper, z. B. ein Glaskörper, bezeichnet, in welchem die Linsenrasterplatte hergestellt wird und
die aus einem F2-Glas bestehen kann, in dem K*-, Na*-Ionen als hier so bezeichnete erste lonenart
enthalten sind. Die Ober- und Unterseite bzw. Deck- und bodenseite des Glaskörpers 11 sind flach und
verlaufen parallel zueinander. Auf der Bodenseite befindet sich ein Film bzw. eine Schicht 12, die
öffnungen aufweist. An den nicht durchbrochenen Stellen ist die Schicht geeignet, die elektrische
Ionenwanderung zu verhindern. Die Schicht 12 kann durch Hochfrequenzzerstäubung eines Metalls, z. B.
Titan oder eines dielektrischen Materials, z. B. Glas, gebildet sein. Die z. B. kreisrunden öffnungen 21 in der
Schicht 12 haben untereinander den gleichen Abstand, wie Fig. 2 verdeutlicht. Die Wahl des Durchmessers
der kreisrunden öffnungen 21 ist abhängig von der Zeit,
die für den nachfolgend beschriebenen Wärmediffusionsschritt erforderlich ist und der Zusammensetzung
des Glaskörpers. Der Durchmesser beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm, um die Wärmediffusion innerhalb
einiger zehn Stunden beenden zu können.
Mit 15 ist eine nitrat- oder sulfathaitige Tonschicht
bezeichnet, die zur Aufnahme bzw. Absorption der ersten lonenart dient, die von dem Glaskörper 11
abgegeben wird. Die Schicht 15 ist in festem Kontakt mit der Dockseite des Glaskörpers 11.
Der in der vorstehenden Weise ausgebildete Glaskörper 11 wird mit seiner Bodenseite in eine Salzschmelze
13 getaucht, die die zweite lonenart enthält. Dabei befindet sich die maskenartige Schicht 12 auf der
eingetauchten Bodenseite des Glaskörpers 11.
Die Salzschmelze 13 in einem Behälter 14 enthält eine
Nitrat- oder Sulfatlösung, die wenigstens eine hiLr so
bezeichnete zweite lonenart, wie z. B. TI *. Cs *. enthält,
die mehr zur Erhöhung des Brechungsindex des Glaskörpers 11 beiträgt als die erste lonenart in dem
Glaskörper 11.
An den eingetauchten Glaskörper wird eine Gleichspannung
angelegt, wodurch ein elektrisches Feld senkrecht zu den Deck- und Bodenseiten des Glaskörpers
gebildet wird. Hierzu ist eine Elektrode 16 auf der Tonschicht 15 an den negativen Pol und eine Elektrode
17 in der Salzschmelze 13 an den positiven Pol einer Spannungsquelle 18 gelegt. Die Temperatur des
Glaskörpers 11 und der Salz_schmelze 13 beträgt etwa 500° C, das ist etwas niedriger als die Erweiehungstemperatur
des Glaskörpers 11. Für die elektrische Ionenwanderung wird an die Elektroden 16 und 17 eine
200-Volt-Gleichspannung gelegt. Der Glaskörper besteht aus einer 50 χ 50 mm quadratischen Glasplatte 11
von 3 mm Stärke und ist mit einer Schicht entsprechend F i g. 2 versehen, die an den nicht durchbrochenen
Stellen eine Ionenwanderung bzw. einen Ionenaustausch verhindert. Bei angelegter Spannung fließt ein
Strom durch jede der öffnungen 21 der Schicht 12 in der Größe von mehr als 10 mA. Hierdurch wird bewirkt,
daß die erste lonenart in dem Glaskörper 11 in Richtung der Tonschicht und gleichzeitig die zweite lonenart in
der Salzschmelze 13 in den Glaskörper senkrecht zu seiner Bodenfläche durch die Öffnungen 21 in der
maskenartigen Schicht 12 wandert. Nach Ablauf der vorbestimmten Verfahrenszeit ist in der Nachbarschaft
von jeder Öffnung 21 ein zylindrischer Bereich mit einem hohen Brechungsindex gebildet. Die Querschnitte
der zylindrischen Bereiche sind nahezu gleich der Öffnungen 21. Die zylindrischen Bereiche weisen die
gleiche Tiefe auf (etwa 300 Mikron bei**iner Verfahrenszeit
von 5 Stunden).
An den vorstehenden elektrischen lonenwanderungsverfahrensschritt
zur Bildung zylindrischer Bereiche von hohem Brechungsindex in dem Glaskörper 11
schließt der Wärmediffusionsverfahrensschritt an. Die Temperatur liegt bei dem Wärmediffusionsverfahrensschritt
bei etwa 5000C. Während der Wärmediffusion
erfolgt wechselseitige Diffusion zwischen den zylindrischen Bereichen mit dem hohen Brechungsindex und
den anschließenden Bereichen des Glaskörpers U, d.h. die zweite lonenart in den zylindrischen Bereichen
diffundiert in die anschließenden Bereiche des Glaskörpers und die erste lonenart in den anschließenden
Bereichen diffundiert in die zylindrischen Bereiche.
Wie vorstehend erwähnt, liefert die zweite lonenart einen größeren Beitrag zur Erhöhung des Brechungsindex
als die erste lonenart, die sich primär in dem
Glaskörper 11 befand. Daher wird die Größe der Brechungsindexänderung in Richtung senkrecht zur
Achse jeder zylindrischen Region verringert
Durch geeignete Wahl von Zeit, Temperatur, Spannung, Konzentration der Salzschmelze usw. ist es
möglich, die elektrische Ionenwanderung und die Wärmediffusion derart zu steuern, daß in jedem
zylindrischen Bereich eine parabolische Brechungsindexverteilung erhalten wird, bei der der Brechungsindex
im wesentlichen mit dem Quadrat des Abstandes von der Achse des zylindrischen Bereichs abnimmt.
F i g. 3 veranschaulicht die Brechungsindexverteilung
in dem Glaskörper 11. nachdem er der elektrischen Ionenwanderung und der Wärniediffusion ausgesetzt
worden ist. F i g. 3a zeigt einen Querschnitt des Glaskörpers 11. der mit der maskenartigen Schicht 12
versehen ist. Der Schnitt verläuft in einer Ebene, in der die Achsen von zylindrischen Bereichen mit hohem
Brechungsindex liegen. Die gestrichelte Linie zeigt, welche Gestalt die hoch brechenden Bereiche auf
Grund der Ionenwanderung aufweisen. Die F i g. 3b und 3c zeigen Diagramme für die Brechungsindexverteilung
ίο entlang der Linie A-A' des Glaskörpers 11. Hiervon
zeigt Fig. 3b den Zustand nach der Ionenwanderung,
und Fig. 3c zeigt den Zustand nach der Wärmediffusion.
In dem Beispiel nach F i g. 3a erreichen die von der
einen Seite des Glaskörpers ausgehenden zylindrischen Bereiche 33 mit den hohen Brechungsindizes nicht die
gegenüberliegende andere Seite des Glaskörpers 11. Die hochbrechenden Bereiche lassen sich jedoch auch
derart ausbilden, daß sie die andere Seite des Glaskörpers 11 erreichen, indem eine dünne Glasplatte
als Glaskörper 11 gewählt wird oder indem der Glaskörper 11 von der anderen Seite aus bis zu der Linie
B-B' abgeschliffen wird, wodurch die innersten Abschnitt der Bereiche 33 bloßgelegt werden.
Die erforderliche Zeit für die Wärmediffusion kann
als nahezu proportional zu dem Quadrat des Durchmessers der Öffnungen 21 angesehen werden. Der Abstand
zwischen benachbarten öffnungen 21 ist vorzugsweise größer als der Durchmesser der öffnungen 21, um die
Wärmediffusion zu erleichtern.
Die maskenartige Schicht 12 kann vor oder nach der Wärmediffusion entfernt werden. Wenn ein opakes
Material als Schicht 12 verwendet wird, kann es dazu dienen, unerwünschte Lichtstrahlen abzuschirmen, die
durch den Glaskörper 11 an solchen Stellen hindurchtreten, die nicht zu den hochbrechenden Bereichen 33
gehören.
Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Erfindung ist nicht nur auf flache Glaskörper 11.
sondern auch auf Glaskörper mit anderen Gestalten,
z. B. solche mit einer gekrümmten Oberfläche, anwendbar. Fig.4 zeigt einen Glaskörper 41 mit einer
zylindrischen Außenfläche. Der Glaskörper 41 besitzt hochbrechende Bereiche 43, die sich an den Stellen
radial nach innen erstrecken, die von der maskenartigen Schicht 42 nicht bedeckt sind.
Um solch einen zylindrischen Glaskörper 41 der elektrischen Ionenwanderung auszusetzen, müssen die
in F i g. 1 gezeigten Elektroden 16 und 17 entsprechend
gekrümmt ausgebildet sein.
Die vorstehend beschriebenen Öffnungen 21 der maskenartigen Schicht 12 weisen eine kreisförmige
Gestalt auf. Die öffnungen können aber auch mil Vorteil eine bestimmte elliptische Gestalt aufweisen
Eine derartige Gestalt ist zweckmäßig, um zu erreichen daß der Brechungsindexgradient in Richtung der Haupt
und Nebenachse des elliptischen Querschnittes .ver schieden ausfällt, so daß der Grad der Fokussierung ji
nach der Achsenrichtung verschieden ist. Auf dies«
Weise lassen sich Linsenanordnungen angeben, die au
einzelnen Linsen mit unterschiedlichen Brechungsin dexgradienten bestehen.
Der Durchmesser der Öffnungen 21 kann je nach de Verwendung in einem Bereich von mehreren zehi
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
856
Claims (12)
1. Linsenrasterplaite aus mehreren nebeneinander
angeordneten Linsen mit parallelen oder winklig zueinander verlaufenden optischen Achsen, d a ■
durch gekennzeichnet, daß die Linsen in
Form einzelner zylinderförmiger Bereiche (33; 43) in einem einstückigen transparenten Körper (ti; 41)
ausgebildet sind, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Körpers erstrekken,
wobei die zylinderförmigen Bereiche einen höheren Brechungsindex aufweisen als die übrigen
Bereiche des Körpers und der Brechungsindex jedes zylinderförmigen Bereiches senkrecht zu seiner
Achse radial nach außen stetig abnimmt.
2. Linsenrasterplaite nach Anspruch 1. dadurch
gekennsoichnet, daß der transparente Körper
wenigstens eine erste lonenart enthält, die in den "zylindrischen Bereichen von den Achsen zu den
Umfangen im abnehmenden Maße durch wenigstens eine zw eile lonenart ersetzt ist, die den Brechungsindex
stärker erhöhen als die erste lonenart.
3. Linsenrasterplatte nach den Ansprüchen I und
2. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand 2s zwischen benachbarten zylindrischen Bereichen
größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Bereiche.
4. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der transparente
Körper (11) plattenförmig ausgebildet ist und ebene Begrenzungsflächen aufweist, zwischen denen sich
die zylindrischen Bereiche (33) in zu den Begrenzungsflächen senkrechter Richtung erstrecken.
5. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der transparente
Körper (41) zylindrische Begrenzungsflächen aufweist, zwischen denen sich die zyl nderförmigen
Bereiche (43) in zu den Begrenzungsflächen senkrechter Richtung erstrecken.
6. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen
Bereiche einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.
7. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen
Bereiche einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
8. Verfahren zur Herstellung der Linsenrasterplatte nach den Ansprücher 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt die zylinderförmigen Bereiche des transparenten
Körpers durch Ionenwanderung entlang Feldlinien eines angelegten elektrischen Feldes
hergestellt werden, wobei wenigstens eine erste lonenart des transparenten Körpers innerhalb der
zylinderförmigen Bereiche durch wenigstens eine zweite lonenart aus einem lonenbad ersetzt wird
und daß der transparente Körper anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt zur Erzeugung
eines Brechungsindexgradieiuen derart erhitzt wird. daß die erste lonenart außerhalb der zylinderförmigen
Bereiche des transparenten Körpers in die zylinderförmigen Bereiche hinein- und die zweite
lonenart aus den zylinderförmigen Bereichen herausdiffundieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet,
daß auf die eine Elegrenzungsfläche des transparenten Korpers eine die elektrische Ionenwanderung
unterbindende maskenartige Schicht aufgebracht wird, die zur Bildung der zylinderförmigen
Bereiche den Querschnitten der Bereiche entsprechende Öffnungen aufweist, daß auf die
andere im wesentlichen zur ersten Begrenzungsfläche parallele Begrenzungsfläche eine Schicht aus
einer elektrisch leitenden Substanz aufgebracht wird die befähigt ist. die erste lonenart des
transparenten Körpers aufzunehmen, daß der transparente Körper mit der maskenartigen Schichtseite
in eine Lösung getaucht wird, die die zweite lonenart enthält, daß zwischen der elektrisch
leitenden Schicht und der Lösung mit dem zwischenliegenden transparenten Körper ein elektrisches
Feld angelegt wird, demzufolge die zweiten Ionen entlang Feldlinien durch die öffnungen in der
maskenartigen Schicht in den transparenten Körper hineinwandern, während die ersten Ionen aus den
durch die öffnungen bestimmten Bereichen des transparenten Körpers entlang den Feldlinien in
Richtung der leitfähigen Schicht herauswandern und daß anschließend der transparente Körper zur
gegenseitigen Wärmediffusion der ersten und zweiten lonenarten innerhalb des transparenten
Körpers erhitzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet,
daß die maskenartige Schicht aus einem opaken Material besteht.
; 1. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht aus
einer Tonschicht besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der transparente Körper nach der Herstellung der zylindrischen Bereiche von seiner
die leitende Schicht aufnehmenden Begrenzungsseite aus bis zu den inneren Enden der zylindrischen
Bereiche abgeschliffen wird.
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