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Gekittete Linse
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Linse zur Verwendung bei optischen
Systemen wie z.B. Projektionslinsensystemen und insbesondere auf eine Linse, deren
Gestalt eine nicht-sphärische Oberfläche umfaßt.
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Bisher waren zur Herstellung von in optischen Projektionssystemen
zu verwendenden Linsen verschiedene Arbeitsstufen des Schleifens bzw. Polierens
erforderlich, um eine Krümmung und Genauigkeit der Oberfläche zu schaffen; folglich
war hierfür viel Arbeitskraft und Zeit erforderlich. Insbesondere ist die erstellung
einer Linse mit nicht-sphärischer Oberfläche äußerst schwierig, und sie erfordert
die vielfache Arbeitskraft und Zeit, die zur Herstellung von Linsen mit sphärischen
Oberflächen nötig sind. Folglich sind die Produktionskosten einer solchen Linse
hoch. Um die Produktionskosten der Linse zu senken, stellt man gegenwärtig die Linse
durch
Formgebung mittels Erwärmen her. Dieses Verfahren umfaßt das
Einsetzen eines anorganischen Glases oder eines Kunststoffs in eine Form mit Linsengestalt,
das Erwärmen des anorganischen Glases oder des Kunststoffs so, daß es der Kontur
entlang der Gestalt der Form angepaßt werden kann, gefolgt von einem Abkühlen und
Herausnehmen des geformten Produkts aus der Form. Dieses Verfahren bringt jedoch
zwei Nachteile mit sich. Einerseits ist die Produktivität gering, da Glaswerkstoff
auf eine hohe Temperatur erwärmt wird und es lange Zeit bis zur Abkühlung dauert.
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Insbesondere wird im Fall anorganischen Glases die Erwärmung zwischen
500 und 6000C durchgeführt und deshalb ist bei der Herstellung einer dicken Linse
aus anorganischem Glas eine sehr lange Abkühlzeit erforderlich, wenn die Abkühlung
so gesteuert wird, daß die Abkühlgeschwindigkeit in inneren Abschnitten der Linse
und dem Oberflächenbereich ungefähr gleich ist. Andererseits ist die Oberflächengenauigkeit
aufgrund von Deformation gering.
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Beim Abkühlen hat nämlich der mittige Abschnitt der geformten Linse
eine geringere Abkühlgeschwindigkeit als der Oberflächenbereich, und deshalb befindet
sich der innere Abschnitt der Linse durchgehend unter einem wärmegedehnten Zustand,
bis die gesamte Linse vollständig auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Aus diesem Grund
schrumpft bzw. schwindet der die Linse bildende Werkstoff, der die Kontur der Formgestalt
hat, im inneren Bereich später als im Oberflächenbereich, wodurch nach dem Abkühlen
die Oberfläche der geformten Linse einen Zustand mit nach innen gerichteten Vertiefungen
erreicht.
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D.h., daß Mulden bzw. Schrumpfmarken erzeugt sind. Folglich ist die
Genauigkeit der Oberfläche entsprechend diesen Schwundstellen gering. Insbesondere
ist eine solche Mulde desto größer, je höher die Dicke der zu formenden Linse ist
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekittete Linse zu schaffen, die eine
dicke Linse ist, die gemäß der Formgebung mittels Erwärmung mit kurzer Al)kiilllzeit
hergestellt werden kann. Ferner soll die gekittete Linse kleinere Mulden aufweisen.
Ferner soll eine nicht-sphärische gekittete Linse geschaffen werden, die einfach
in der Herstellung ist und lediglich kleine Mulden hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen
des Hauptanspruchs gelöst. Die erfindungsgemäße gekittete Linse besteht aus einem
Produkt, das aus einem dünnen optischen Element, das durch Formgebung mittels Erwärmen
erzeugt ist, und aus einer Linse oder einem parallelen optischen Element zusammengekittet
ist.
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Die erfindungsgemäß gekittete Linse kann durch Formung eines dünnen
optischen Elements mit geringer Dicke entsprechend -der Formgebung mittels Erwärmung
und Verkitten dieses Elements mit einer Linse oder einem optischen Element mit parallelen
flachen Flächen hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand schematischer
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: 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 erfindungsgemäßen Verfahren geformte Linse auf eine andere Linse geschichtet
wird, Fig. 3 den geschichteten Zustand der Linsen gemäß Fig.
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Fig. 4 und 5 eine Darstellung, wie die entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren geformten Linsen miteiner geschichtet sind, Fig.
6 eine Ausführungsforin der Gestalt der mit dem erfindungsgemäßen 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.
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Das dünne optische Element erfordert aufgrund seiner geringen Dicke
nur kurze Abkühlzeit, wenn es entsprechend der Formgebung mittels Erwärmung hergestellt
werden soll.
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Aufgrund der geringen Dicke entsteht zwischen dem inneren Abschnitt
und dem Oberflächenbereich des dünnen optischen Elements auch nur eine kleine Temperaturdifferenz,
so daß sich keine störenden Mulden bilden. Deshalb hat das dünne optische Element
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 optisches Element kann für sich alleine
eine gewünschte dicke Linse nicht bilden, und deshalb wird erfindungsgemäß das dünne
optische Element 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 optischen Elements der
Formgebung mittels Erwärmen
unterworfen und mit dem Rest der geteilten
Abschrlitte gekittet, so daß eine gekittete Linse geschaffen ist, die dick ist und
auch eine hervorragende Oberflächengenauigkeit hat. Das optische Element, das eine
Linse oder parallele flache Flächen umfaßt, und das der erweihrlte 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 optisches Element verwendet werden, das eine Linse oder parallele flache Flächen
umfaßt, die durch Schleifen hergesiellt sind, da hierdurch eine gewünschte Dicke
der gekitteten Linse erreicht werden kann. Das dünne optische Element kann eine
Dicke haben, die geeignet nach Wunsch bestimmbar ist, jedoch als maximale Dicke
5 mm oder weniger, insbesondere 2 mm oder weniger aufweist. Angesichts der Schwierigkeiten
bei der Herstellung einer nicht-sphärischen Linse durch Schleifen kann die der gekitteten
Fläche gegenüberliegende Oberfläche des dünnen optischen Elements tatsächlich eine
nicht-sphärische Fläche sein, wodurch somit eine nicht-sphärische gekittete Linse
geschaffen ist. Andererseits beträgt die Dicke der Linse oder des optischen Elements,
auf die bzw. das das dünne Element gekittet ist, im allgemeinen 5 mm oder mehr.
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Als Vorteile, die durch die Herstellung eines dünnen optischen Elements
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 Lappmaschine geschliffen bzw. poliert sind, zur Verfügung und verringern somit
die Kosten.
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Fig. 1 ist eine schernatische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zur Erzeugung eines dünnen optischen Elements mit einer geringen
Dicke entsprechend einer Erwärmungs- und Druckformgebung aus einer dünnenXflachen,
mittels einer Lappmaschine 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 ileizeinrichtung 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 gedrUckt 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.
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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 diesel Betriebsphase sind die Ventile
18 und 19 filr die Edelgase geschlossen und die Ventile 20, 21 und 22 fUr das F.vakuiersystem
sind ebenfalls geschlossen. I)ie 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.
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das Unterdruckanzeigegerät 1 02 Torr ausweist, gefolgt von einer Öffnung
der Ventile 18 und 19 zum Einleiten eines Edelgases, beispielsweise N 2 in die Unterdruckglokke.
Wenn das Glas auf seinen Schmelzpunkt oder höher erwärmt ist, wird das Werkstück
durch die Bestätigung 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 optisches
Element belei)iger Form durch Änderung der Gestalt der oberen l orlrl 3 und der
unteren Form 4 geformt werden.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels,
bei dem das durch Erwärmung geformte dünne optische Element geschichtet wird. Es
sind dargestellt ein dünnes optisches Element 31, das mittels der Voirrichtung gemäß
Fig. 1 geformt ist, eine Linse 32, deren zu beschichtende bzw. zu belegende Fläche
R3 und gegenüberliegende Fläche R4 auf herkömrnl iche Art und Weise geschliffen
sind; die Fläche R2 des dünnen opti-
schen Elements 31 und die
Fläche R3 der Linse 32 sind die zu aufeinanderlegenden Flächen, die mit der gleichen
Krümmung geformt sind. Die Fläche R1 des durch Erwärmung geformten optischen Elements
kann mit einer Oberflachengenauigkeit solchen Ausmaßes geformt sein, daß kein weiteres
Schleifen bzw Polieren erforderlich ist. Fig.
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3 zeigt eine gekittete Linse, die durch Aufeinanderlegen der Fläche
R2 des dünnen optischen Elements 31 auf die Fläche R3 der Linse 32 gebildet ist.
Die Fläche R1 des dünnen optischen Elements 31 kann entweder sphärisch oder nicht-sphärisch
sein. 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.
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Das dünne optische Element 31 hat entsprechend der Formgebung durch
Erwärmung gemäß Fig. 2 Meniskus-Gestalt.
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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 verh ndert werden.
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Die Form des dünnen durch Ewärmungs-Formgebung gebildeten optischen
Elements ist nicht notwendigerweise als Meniskus wie das dünne optische Element
gemäß Fig. 2 auszubilden. Da das dünne optische Element,. 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 die 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 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.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 4 sind die gekrümmten
Flächen R4 der zu schichtenden Linsen 32, 34 durch Schleifen nach der herkömmlichen
Art gebildet, während die gekrümmte Fläche R4 auch durch Verkittung bzw.
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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 optischen Elementen 35 und 36, wobei
35 ein Flach/Konvex-Element, dessen Fläche R1 konvex und dessen Fläche R2 flach
ist, 36 ein Flach/ Konkav-Elementw 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 optischen Elements 35
mit der Fläche R3 des Glases 37 bzw.
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der Fläche R5 des dünnen optischen Elements mit der Fläche R4 des
Glases 37 kann als ein Ganzes eine Meniskuslinse erhalten werden.
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Da somit erfindungsgemäß die Form des dünnen optischen Elements, das
durch Formgebung mittels Erwärmen hergestellt wird, nach Wunsch in Abhängigkeit
der während
der Formgebung verwendeten Form bestimmt werden kann,
ist es möglich, gekittete Linsen mit verschiedensten Formen ZU erhalten, die anders
als diejenigen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind.
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Diese Ausftihrungsbeispiele verwendeten Glas als Grundwerkstoff, jedoch
kann selbstverständlich auch Kunststoff verwendet werden. Ferner können hinsichtlich
des Achromatismus die Grundwerkstoffe für das zu schichtende dünne optische Element
und für eine Linse oder ein aus parallelen Flächen bestehendes optisches Element
entweder gleich oder unterschiedlich sein.
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Wie oben beschrieben, kann die erfindungsgemäße gekittete Linse erzeugt
werden, indem mittels einer Form durch Erwärmen ein dünnes optisches Element erstellt
und dieses mit anderen Linsen geschichtet wird; selbst Linsen mit komplizierter
Form, wie z.B. nicht-sphärische Flächen, können in großer Anzahl durch eine einfache
Vorrichtung in kurzer Zeit und bei geringen Kosten hergestellt werden.
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Beispiel Es wurde die Konstruktion gemäß Fig. 6 ausgewählt, da die
Verwendung einer nicht-sphärischen Oberfläche als ein Teil des ein Varioobjektiv
für eine einäugige Spiegelreflexkamera bildenden Objektivs die Kamera verkleinert
und gleichzeitig ihre Leistung verbessert.
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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.
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Folglich betrug die Oberflächenrauheit 0,03 bis 0,04 pm und die Unregelmäßigkeit
der Oberfläche lag innerhalb eines Rings der Newton1schen zu schen Ringe. Die Brechzahl
nd betrug 1,76188 vor der Formgebung und änderte sich zu 1,75874 nach der Formgebung,
und wurde zu 1,76196 durch allmähliches Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 5
0C 0 pro Stunde, ausgehend von 420 C korrigiert. Nach der allmählichen Abkühlung
wurde die Oberfläche auf eine Rauheit von 0,01 Xum bzw. geringer behandelt und eine
Beschichtung zur Verhanderung der Reflexion auf die Fläche rl aufgebracht.
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Anschließend wurde das so hergestellte dünne optische Element mit
der entsprechend dem Verfahren des Stands der Technik hergestellten Linse mittels
eines durch UV-Strahlen aushärtbaren Klebers NoA6l (hergestellt bei Norand) verkittet,
um eine integrierte Linse zu bilden.
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Andererseits wurde die Linse gemäß Fig. 6 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.
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Offenbart ist eine gekittete Linse, die ein dünnes optisches Element
umfaßt, das durch Formgebung mittels Erwärmung hergestellt bzw. geformt ist. Dieses
optische Element ist aufeine Linse oder ein optisches Element mit flachen parallelen
Flächen gekittet.
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