HINTERGUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft generell den Bereich der Optik, und insbesondere
ein Verfahren zum Herstellen optischer Instrumente bzw. Bauteile, d.h. optischer
Elemente mit hoher Genauigkeit, die zum Einsatz bei einem optischen
Diskettengerät und dgl. vorgesehen sind.
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In der Vergangenheit sind im Zusammenhang mit dem Herstellen von optischen
Bauteilen bzw. Instrumenten oder optischen Elementen (nachstehend als optische
Elemente bezeichnet), beispielsweise von Linsen, Prismen usw. für das Polieren
eines Rohmaterials für das optische Element, wie beispielsweise Glas und dgl.
verschiedene andere Verfahren zum Formen bzw. Gießen des optischen Elements
durch Hitzeeinwirkung und Druckbeaufschlagung auf das in eine Metallform hierzu
eingebrachten Rohmaterials vorgeschlagen worden. Obwohl das Verfahren zur
Formgebung unter Druck durch Gießen des Glasmaterials in einem geschmolzenen
Zustand in die Form im Hinblick auf das Glasrohmaterial höchst effizient ist, ist ein
derartiges Verfahren für ein Linsengebilde mit hoher Genauigkeit aufgrund der
Schwierigkeit bei der Steuerung der Glaskontraktion während des Abkühlens nicht
geeignet. Daher besteht die allgemeine Praxis darin, daß das vorher in eine
vorbestimmte Gestalt gebrachte Glasrohmaterial zwischen Stempeln zum Erhitzen und
nachfolgenden Formen durch Druck eingebracht wird, wie dies z.B. in der
japanischen Patentveröffentlichung Tokkaisho Nr. 58-84134 offenbart ist.
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Es ist in dem Fall, bei dem eine Hochpräzisionslinse durch einmaliges Formen in der
bekannten, vorstehend erläuterten Weise hergestellt werden soll, notwendig, daß
das zum Einsatz in dem Formgebungsprozeß vorgesehene Glasrohmaterial vorher
in eine Gestalt gebracht wird, die soweit wie möglich mit der Gestalt der
gewünschten Linse übereinstimmt. Zum Beschränken des äußeren Umfangs der Linse
wird üblicherweise bei dem Formgebungsprozeß eine Tonnenform verwendet. Da
es bei dem vorstehenden Fall keinen Bereich zum Abgeben von überschüssigem
Glas gibt, ist es erforderlich, das Gewicht des Glasrohmaterials in
Übereinstimmung mit dem der herzustellenden Linse genau zu halten. Für diesen vorgenannten
Zweck ist z.B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Tokkaisho Nr. 59-
141435 bekanntermaßen auch ein Verfahren zum Erhöhen eines Zuschlags in der
Gewichtsanpassung des Glases durch Absorption von zusätzlichem Glas mittels
Vorsehen eines Entlastungsmittels an einem Teil der Tonnenform sowie an dem
oberen und dem unteren Stempel vorgeschlagen wurden. Es ist ebenso wichtig,
die geformte Oberfläche des Glasrohmaterials durch Ausführen einer
vorausgehenden Behandlung zum genauen Steuern der Rauhheit des Glasmaterials so
gleichmäßig wie möglich zu machen, um eine Linse mit einer gleichmäßigen Oberfläche zu
erhalten, wie dies in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Tokkaisho Nr. 60-
9716 offenbart ist. Bei den bekannten, vorstehend erläuterten Vorgehensweisen
ist es notwendig, daß Gewicht des Glasrohmaterials genau zu kontrollieren, oder
das Entlastungsmittel in der Konstruktion der Form vorzusehen. Wenn jedoch ein
derartiges Entlastungsmittel in der Konstruktion der Form vorgesehen ist, besteht
ein Problem darin, daß die geformte Linse dazu neigt einen hohen Anteil an
optisch unwirksamen Bereichen aufzuweisen, wodurch das Gewicht der Linse
erhöht wird. Auf der anderen Seite erfolgt die Vorgehensweise zum genauen
Steuern des Gewichtes des Glasmaterials auf verschiedenen Wegen in
Abhängigkeit davon, wie die Gestalt des Glasrohmaterials bestimmt wird. Beispielsweise
kann in dem Fall, wo die Gestalt des Glasrohmaterials in eine Glasvorform, die mit
einem Endprodukt annähernd übereinstimmt, gebracht wird, ein solches Problem
entstehen, daß aufgrund der Schwierigkeit in der Vorbehandlung 3 % des
Gewichtes zu einer Streuung in der Breite bzw. Weite mit einem Anstieg der Kosten
führen. Demgemäß wird zum genauen Steuern des Gewichtes die Säulenform
bevorzugt, welche höchst einfach bei geringen Kosten der Vorbehandlung
ausgesetzt werden kann. Jedoch besteht aufgrund der Tatsache, daß eine Randkante
oder ein Eckabschnitt zwischen einem zylindrischen Abschnitt der Säulenform und
ihrem oberen, flachen Endabschnitt ein rechter Winkel ist, ein Problem auch darin,
daß ein derartiger Randabschnitt des zu formenden Rohmaterials dazu neigt, daß
er während seiner Zuführung in die Form abgesplittert wird.
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Ein weiterer an die Stelle des Polierverfahrens tretender Formgebungsprozeß ist
z.B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Tokkaisho Nr. 60-246231
offenbart. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren wird nun nachstehend das
bekannte Formgebungsverfahren erläutert.
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Wenn optische Elemente durch Druckformgebung erzeugt werden, wird das
Rohmaterial für die optischen Elemente generell in einer vorbestimmten Größe
abgelängt, um so bis dicht an den Glaserweichungspunkt erhitzt zu werden.
Anschließend wird das so vorerhitzte Rohmaterial für das optische Element
zwischen einem oberen und einem unteren Stempel eingebracht und so bearbeitet,
daß das Rohmaterial in eine Form gebracht wird, die im wesentlichen mit der eines
fertiggestellten optischen Elements, z.B. einer fertiggestellten Linse,
übereinstimmt, wenn das Rohmaterial der Formschließung ausgesetzt wird, wodurch eine
Druckformgebung bei einer vorbestimmten Temperatur bewirkt wird.
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Im Hinblick auf das Herstellverfahren oder die Bearbeitungskosten für das Material
sollte vorzugsweise die Konfiguration des zu formenden Rohmaterials für das
optische Element so einfach wie möglich sein. So ist z.B. ein Rohmaterial 1 in einer
Säulenform, wie dies in Figur 1 gezeigt ist, verfügbar, welches durch Abschneiden
bei einer vorbestimmten Breite erhalten wird, wobei ein stangenförmiges
Rohmaterial durch einen spitzenlosen Herstellvorgang so bearbeitet wird, daß es einen
vorbestimmten Außendurchmesser aufweist. Wenn jedoch das in der vorstehend
beschriebenen Weise bearbeitete Rohmaterial dem Formgebungsvorgang
ausgesetzt wird, wird das Rohmaterial 1 bzw. werden die Eck- oder Kantenbereiche 21
(nachstehend als Kantenbereiche bezeichnet) zunächst deformiert, wie dies in Figur
8 gezeigt ist. Daher werden die Bereiche des Rohmaterials 1, die an dem oberen
Stempel 12 und an dem unteren Stempel 13 anliegen, in unerwünschter Weise
veranlaßt sich dem oberen und dem unteren Stempel anzupassen, wodurch
geschlossene Räume 22 entstehen, die einmal gebildet bis zur Beendigung des
Formgebungsvorganges vorhanden bleiben. Daher werden die
Bearbeitungsoberflächen der Stempel nicht vollständig auf das Rohmaterial 1 übertragen, wodurch
eine fehlerhafte Linse entsteht.
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Eine bekannte Vorgehensweise zum Verhindern eines solchen unzureichenden,
vorstehend erläuterten Übertragungsfehlers wird nun nachstehend unter
Bezugnahme auf die Figur 7 erläutert, die den Aufbau einer bekannten
Formgebungsvorrichtung wiedergibt.
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Gemäß Figur 7 ist die Formgebungsvorrichtung so angeordnet, daß ein unterer
Stempel 13 an einer Basis 13B durch eine Verbindungsstange 13A befestigt ist,
wogegen ein oberer Stempel 12 mit einer Kolbenstange 12B über eine
Verbindungsstange 12A verbunden ist. Das Rohmaterial 1 für das optische Element wird
durch eine Heizeinrichtung 18 auf eine Formgebungstemperatur erhitzt. Wenn das
Rohmaterial 1 eine gewünschte Formgebungstemperatur erreicht hat, wird die
obere Form 12 durch hydraulische Zylinder 19 abgesenkt, um in Kontakt mit dem
Rohmaterial 1 zu gelangen. Anschließend wird die obere Form 12 zum
Druckbeaufschlagen einer vertikalen, oszillierenden Bewegung ausgesetzt, beispielsweise
mittels eines Servopulsars 20, der an der Vorrichtung angebracht ist. Eine derartige
oszillierende Druckbeaufschlagung wird z.B. bis zu 90 % des Gesamthubes
ausgeübt,
während zur Formgebung in den verbleibenden 10 % eine gleichmäßige
Druckbeaufschlagung erfolgt. Nach Beendigung des gesamten
Druckbeaufschlagungshubes wird die Energiezuführung unterbrochen und die Form geöffnet, wenn
die Temperatur auf ein erwünschtes Niveau abgesenkt ist, wobei die fertiggestellte
Linse nach dem Abkühlen herausgenommen wird.
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Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines optischen Glaselements ist aus der JP-
A-1-252542 bekannt, wobei ein Glasrohmaterial zu einer bikonvexen Form
gerundet, in Fluorwasserstoffsäure eingebettet, mit destilliertem Wasser gewaschen und
getrocknet wird. Nach Wiederholung des vorstehend erwähnten
Einbettungsvorganges wird das erhaltene Glasrohmaterial einer Ionenstrahlbehandlung ausgesetzt,
wobei eine Vakuumkammer evakuiert, das geätzte Glasrohmaterial auf einem
Substrattragdom angeordnet, das Material auf ca. 300 ºC erhitzt und das Material
mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, der von einer Ionenstrahlkanone erzeugt wird.
Das den vorstehend genannten Behandlungen ausgesetzte Glasrohmaterial wird
zwischen einem Paar spiegelpolierter Formen eingesetzt, auf eine Temperatur nahe
dem Erweichungspunkt des Glases erhitzt und einem Druckformgebungsprozeß
durch Anwenden von Druck auf die Formen ausgesetzt, um das optische
Glaselement zu erhalten.
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EP-A-316 040 offenbart ein Verfahren zum Herstellen bikonvexer Linsenelemente,
die eine bikonvexe Glaslinse und einen Halter enthalten, der aus zwei zylindrischen
Ringen besteht, welche mit Bezug zueinander teleskopartig zusammenschiebbar
bzw. auseinanderziehbar sind und die verschiedene Durchmesser aufweisen, so
daß sich ein ringförmiger Zwischenraum bildet. Ein Linsenrohling wird zusammen
mit dem Halter in der ausgefahrenen Teleskopposition der Ringe auf die
Bearbeitungstemperatur des Glases erhitzt und zwischen den erhitzten Stempeln einer
Form angeordnet, wonach die Stempel in einem Druckhub aufeinander zu bewegt
werden, wobei die beiden Ringe teleskopartig ineinander fahren, wobei der
Linsenrohling in dem Halter in eine bikonvexe Glaslinse geformt wird und wobei die
Überschußmenge an Glas aus dem heißeren Mittenbereich des Glasrohlings in den
ringförmigen Zwischenraum gepreßt wird. Nach dem Abkühlen wird das
Linsenelement erhalten.
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Jedoch können in dem Fall, wo die Formgebung durch Bearbeiten des zu
formenden Rohmaterials für das optische Element in der vorstehend beschriebenen Weise
ausgeführt wird, solche Defekte, wie die Bildung von Sprüngen oder
Absplitterungen an den Kantenbereichen des Rohmaterials, welches in Berührung mit den
Stempeln steht, wenn das Glasrohmaterial in die Form eingebracht wird, auftreten.
Wird die Formgebung unter dem vorstehend beschriebenen Zustand ausgeführt, so
finden sich eine Reihe von Fällen, wo gebrochenes Rohmaterial die Stempel
beschädigt, die Konfiguration des fertiggestellten Produkts im Hinblick auf die
Genauigkeit ungenügend oder im Hinblick auf die Erscheinung des fertiggestellten
Produkts aufgrund des Zurückbleibens von gebrochenem Rohmaterials an der
Oberfläche des dem Formgebungsprozeß unterworfenen optischen Elements nicht
ausreichend ist. Da die Seitenfläche des zu formenden Rohmaterials für das
optische Element eine Fläche aus einem spitzenlosen Schleifvorgang ist, ist daher die
Rauhheit verhältnismäßig groß wodurch ihr Transmissionsfaktor bzw.
Lichtdurchlaßgrad in unerwünschter Weise aufgrund der folgenden Störung der Rauhheit als
Teil der optisch wirksamen Fläche des optischen Elements gestört ist. Weiterhin
neigt bei der Herstellung des optischen Elements durch das vorstehend erläuterte
Formgebungsverfahren die obere Form, welche die geformte Fläche des optischen
Elements bestimmt, dazu, Luft aufgrund des wiederholten Kontakts mit und des
Abhebens von dem optischen Element in dem Formgebungsprozeß einzubringen,
wodurch Luftblasen in dem Rohmaterial während des Formgebungsprozesses
gesammelt werden. Während der oszillierenden Druckbeaufschlagung des oberen
Stempels ist weiterhin die Fluchtung in der Position mit dem unteren Stempel sehr
schwierig. Es ist daher extrem schwierig, die Neigung an gegenüberliegenden
Flächen des optischen Elements innerhalb einer bestimmten Toleranz zu halten. Da
weiterhin der obere Stempel die oszillierende Druckbeaufschlagung wiederholt,
neigt die Temperaturverteilung dazu, uneinheitlich zu sein, wobei eine andere
Temperaturverteilung innerhalb des optischen Elements zu finden ist, und als
Ergebnis eine Formvertiefung an dem optischen Element gebildet wird, wodurch es
unmöglich wird, die optischen Anforderungen zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß besteht eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein
Verfahren zum Herstellen optischer Elemente zu schaffen, welches in der Lage ist,
optische Elemente mit hoher Genauigkeit durch Formgebung unter Einsatz eines
Formgebungsmaterials für das optische Element zu erzeugen, das einer
Vorbehandlung unterworfen wird, um Beschädigungen, wie Bruchbildung oder
Absplitterungen an den Kantenbereichen des Formgebungsmaterials zu verhindern, welche in
Kontakt mit den Stempeln gelangen, wenn dieses Material in die Form eingebracht
wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wie vorstehend
beschriebenes Verfahren zum Herstellen optischer Elemente zu schaffen, welches
ohne weiteres in einem Herstellungsprozeß für die optischen Elemente bei geringen
Kosten eingefügt werden kann.
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Um diese und weitere Aufgaben zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elementes geschaffen, welches die
folgenden Schritte enthält: Anordnen eines zu formenden Glasmaterials für ein
optisches Element in einem Raum zwischen einem ersten Formstempel und einem
zweiten dem ersten Formstempel gegenüberliegend angeordneten Formstempel
sowie Erzeugen des optischen Elementes, wie beispielsweise einer Linse, eines
Prismas und dgl. durch Formen des zu formenden Glasmaterials für ein optisches
Element unter Anwendung von Wärme und Formgebungsdruck, wobei das zu
formende Glasmaterial für ein optisches Element säulenförmig ausgebildet ist und
einen zylindrischen Abschnitt sowie einander gegenüberliegende, flache
Endabschnitte aufweist und an jedem seiner Kantenbereiche zwischen dem zylindrischen
Abschnitt und den einander gegenüberliegenden, flachen Endabschnitten durch
vorherige physikalische oder chemische Bearbeitung der Kantenbereiche des zu
formenden Glasmaterials für ein optisches Element ein Krümmungsradius größer
als 0,05 mm gebildet worden ist, wobei der Schritt des Formens des zu formenden
Glasmaterials für ein optisches Element unter Anwendung von Wärme und Druck
so ausgeführt wird, daß der Formdruck mehr als einmal während des Formens
verringert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Demgemäß wird eine Krümmung an einem Randbereich, d.h. einem Kanten- oder
Eckbereich, wo ein zylindrischer Abschnitt des säulenförmigen Glasrohmaterials im
rechten Winkel auf seinen oberen flachen Flächenberich stößt durch Anwenden
eines chemischen Ätzprozesses oder durch Hitze oder Strahlungshitze eines
Kohlenstoffdioxidgaslasers geschaffen, wodurch die mechanische Festigkeit an
solchen Eckabschnitten des Glasrohmaterials gesteigert wird. Daher kann das
Glasrohmaterial in die Form ohne Absplitterung an dem Kantenbereich eingebracht
werden, wodurch das Herabfallen von gebrochenen Teilen des Glasrohmaterials in
die Form verhindert werden kann. Wenn der chemische Ätzprozeß zum Bilden der
Krümmung an dem Kantenbereich eingesetzt wird, kann die Krümmung ohne
weiteres gebildet werden, da der Kantenbereich dem Ätzprozeß weitaus schneller
als andere Bereiche ausgesetzt wird. Da weiterhin ein großer Betrag an Rohmaterial
auf einmal in einer Ätzlösung eingebettet werden kann, können im Hinblick auf
diesen Punkt die Kosten reduziert werden.
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Wenn der Kohlendioxidgaslaser nur für den Kantenbereich des Rohmaterials
verwendet wird, wird die Energie des Laserlichts, da dessen Wellenlänge in der
Nähe von 10,6 um liegt, nahe der Oberfläche des Rohmaterials absorbiert, umso
in Hitzeenergie konvertiert zu werden, wodurch die Krümmung an dem
Kantenbereich effektiv erzeugt werden kann. Wenn insbesondere die Rauhheit an dem
flachen Flächenabschnitt auf weniger als 0,1 um gesetzt wird, kann sogar in dem
Fall, wo der flache Flächenabschnitt innerhalb des wirksamen Durchmessers des
optischen Elements gebildet wird, wenn das zu formende Rohmaterial des
optischen Elements durch einen Druckformungsvorgang erhalten werden soll, ein
günstiger Transmissionsfaktor erhalten werden.
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Wenn weiterhin ein Krümmungsradius des geschaffenen Kantenbereichs auf 0,1
mm gesetzt wird, wird die Möglichkeit beseitigt, daß der Transmissionsfaktor
aufgrund der Tatsache, daß ein Teil des zylindrischen Abschnitts, der eine grobe
Rauhheit aufweist, Teil des wirksamn Durchmesserabschnitts des geformten
optischen Elements bildet, gestört ist. In dem Fall, wo der Krümmungsradius des
Kantenabschnitts des Rohmaterials kleiner als 0,1 mm ist, erstreckt sich dieser Teil
des zylindrischen Abschnitts nicht auf den wirksamen Durchmesserabschnitt des
optischen Elements nach der Formgebung, da der Betrag des Teils des
zylindrischen Abschnitts mit der großen Rauhheit, um in den flachen Flächenabschnitt des
Rohmaterials zu gelangen, sehr klein ist.
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Weiterhin können die nachstehend erläuternden Wirkungen bei dem
Herstellvorgang des optischen Elements, bei dem das Rohmaterial für das optische Element,
das durch Deformation des Kantenbereichs mittels einer Vorbehandlung eines zu
formenden Vorrohmaterials für ein optisches Element erzeugt und gleichzeitig in
einer Spiegelfläche an seinen Seitenflächen geformt wird, zwischen dem oberen
und dem unteren Stempel zum Ausführen einer Hitzedruckbeaufschlagung für die
Formgebung mittels Hitze und Druck in dem Zustand, wo das Rohmaterial in
dichten Kontakt mit dem oberen und dem unteren Stempel während des gesamten
Formgebungsprozesses gehalten wird, eingebracht wird, durch Verringerung des
Druckes zumindest mehr als einmal oder der Verringerung des Druckes auf 0
während des Formgebungsvorganges durch Erhitzen und Druckbeaufschlagung
erreicht werden.
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Insbesondere sind die Wirkungen solche, daß, da das zu formende Rohmaterial für
ein optisches Element mit einem Krümmungsradius von 0,1 mm an seinem
Kantenbereich ausgebildet ist, das Material mit den Stempeln durch Flächenkontakt in
Berührung gelangt, wenn es in die Form eingebracht wird, und daß kein Absplittern
oder Brechen an diesem Kantenbereich auftritt. Aufgrund des Flächenkontaktes
kann weiterhin eine bessere Wärmeleitung im Vergleich zu den Fällen erreicht
werden, wo keine Krümmung an dem Kantenbereich vorgesehen ist, wodurch die
Zeit bis zum Erreichen des für den Druckformgebungsvorgang notwendigen
Zustandes verkürzt werden kann. Da außerdem die Temperaturverteilung innerhalb
des zu formenden Rohmaterials für ein optisches Element weitestgehend entfernt
ist, wird die Glaskontraktion während des Abkühlens für eine verbesserte
Genauigkeit in der Gestalt des optischen Elements einheitlich. Da das zu formende
Rohmaterial für ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung seine
Spiegelfläche an seiner Seitenfläche aufweist, kann der Transmissionsfaktor des
optischen Elements verbessert werden. Da weiterhin das Rohmaterial dem
Druckformgebungsvorgang nach einer Verringerung des Formgebungsdrucks,
vorzugsweise auf 0, zumindest mehr als einmal während des Formgebungsvorganges
wieder ausgesetzt wird, wird der Raum, der durch die Übertragungsfläche des
Stempels und der Endfläche des Rohmaterials umgeben ist, beseitigt, und daher die
Form des Stempels auf das Rohmaterial günstig übertragen, wodurch ein optisches
Element mit günstigeren optischen Leistungsmerkmalen geschaffen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
insbesondere weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elementes
geschaffen, welches die folgenden Schritte enthält: Anordnen eines zu formenden
Glasmaterials für ein optisches Element in einem Raum zwischen einem ersten
Stempel und einem zweiten, dem ersten Stempel gegenüberliegend angeordneten
Stempel und Erzeugen des optischen Elements, wie beispielsweise einer Linse,
eines Prismas und dgl. durch Formen unter Hitze und Druckbeaufschlagung. Das
säulenförmige, zu formende Glasmaterial für ein optisches Element weist einen
zylindrischen Abschnitt und einander gegenüberliegende, flache Endabschnitte auf.
An jedem seiner Kantenbereiche ist zwischen dem zylindrischen Abschnitt und den
flachen Endabschnitten durch vorherige physikalische oder chemische Bearbeitung
der Kantenbereiche des zu formenden Glasmaterials für ein optisches Element ein
Krümmungsradius größer als 0,05 mm gebildet worden, wobei der Schritt des
Formens des zu formenden Glasmaterials für ein optisches Element unter
Anwendung von Wärme und Druck so ausgeführt wird, daß der Formdruck mehr als
einmal während des Formens verringert oder auf 0 reduziert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Diese und weitere Aufgaben sowie Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit ihrem bevorzugten
Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher.
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Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Rohmaterials, das bei
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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Figur 2(a) ist eine perspektivische Ansicht eines zu formenden Materials für
ein optisches Element gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, das durch einen chemischen Ätzprozeß erzeugt wird;
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Figuren 2(b) und 2(c) sind Teilquerschnitte, die jeweils in vergrößerter
Darstellung Kantenbereiche des zu formenden Materials der Figur 2(a) zeigen;
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Figur 3 ist eine schematische Darstellung, die einen Zustand vor Bildung von
Krümmungen an Kantenbereichen des zu formenden Materials für ein optisches
Element unter Verwendung eines Kohlendioxidgaslasers gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Figur 4 ist ein schematischen Querschnitt eines elektrischen Ofens zum
Bilden von Krümmungen an Kantenbereichen an dem zu formenden Material für ein
optisches Element gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Figur 5 ist ein Teilquerschnitt einer Formgebungsvorrichtung zum Ausführen
des Herstellverfahrens für optische Elemente gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht eines zu formenden Materials für ein
optisches Element, das bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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Figur 7 ist eine Ansicht von der Seite auf eine Formgebungsvorrichtung für
ein optisches Element zum Erläutern bekannter Herstellverfahren für optische
Elemente (hierauf wurde bereits Bezug genommen); und
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Figur 8 ist eine schematische Ansicht von der Seite zum Erläutern der
Beziehung
zwischen Stempeln und Rohmaterial bei dem bekannten Verfahren zum
Herstellen optischer Elemente (hierauf wurde bereits Bezug genommen).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bevor in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung fortgefahren wird, ist zu
bemerken, daß gleiche Bauteile in sämtlichen beiliegenden Zeichnungsfiguren mit
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren wird nun das Verfahren zum
Herstellen eines zu formenden Materials für ein optisches Element für die vorliegende
Erfindung erläutert.
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In Figur 1 ist ein säulenförmiges, zu formendes Vorrohmaterial 1 für ein optisches
Element gezeigt welches einen zylindrischen Abschnitt 3 und kreisförmige, flache
Endbereiche 2 enthält, die jeweils mit gegenüberliegenden Enden des zylindrischen
Abschnitts 3 an Grenzbereichen, d.h. Ecken- oder Kantenbereichen 4 verbunden
sind (nachstehend als Kantenbereiche bezeichnet). Der zylindrische Abschnitt 3
weist eine Rauhheit von 1,8 um auf, während die flachen Endabschnitte 2, die
jeweils poliert sind, eine Rauhheit von 0,05 um aufweisen.
(1. Ausführungsform)
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Figur 2(a) zeigt ein zu formendes Rohmaterial 5 für ein optisches Element, welches
durch Verwenden des vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 erläuterte, zu
formende Vorrohmaterial 1 für ein optisches Element erzeugt worden ist.
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In Figur 2(a) weist das zu formende Material 5 einen Krümmungsabschnitt 6 auf,
der an jedem Kantenbereich A und B zwischen dem zylindrischen Abschnitt 3 und
den flachen Endabschnitten 2 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist. Diese Krümmungsabschnitte 6 sind jeweils in Teilschnitten mit
vergrößertem Maßstab in den Figuren 2(b) und 2(c) gezeigt. Die flachen
Endabschnitte 2 an den einander gegenüberliegenden Enden weisen die Rauhheit von
0,05 um auf, wenn sie poliert sind. Das zu formende Material 5, das aus dem
optischen Glas SF8 hergestellt ist, weist einen Durchmesser von 6 mm, eine Höhe
von 10 mm, eine Rauhheit an den flachen Endabschnitten von 0,1 um und eine
Rauhheit an dem zylindrischen Abschnitt von 1 um auf.
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Die Krümmungsabschnitte 6 werden jeweils durch einen chemischen Ätzvorgang
geformt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine gemischte Lösung aus
Fluorwasserstoffsäure bzw. Flußsäure, Schwefelsäure und Wasser im Verhältnis
von 1,5:1:0,5 (Volumenverhältnis) hergestellt. Der Ätzvorgang wird gestartet,
wenn die Temperatur der Lösung 50 ºC erreicht. Obwohl das Eintauchen bzw.
Einbetten des zu formenden Vorrohmaterials 1 für ein optisches Element in die
Ätzlösung nur auf seine Kantenbereiche 4 beschränkt werden kann, wurde das
Rohmaterial 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vollständig in die Lösung
eingebracht. Die Zeit für das Einbetten wurde konstant auf 10 Sekunden
festgesetzt. Die Krümmungsradien an den Krümmungsbereichen 6 sind in der
nachfolgenden Tafel 1 gezeigt wobei die Anzahl der Einbettungen zunimmt.
Tafel 1
Anzahl der Eintauchungen
Krümmungsradius an einem
Krümmungsabschnitt (mm)
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Obwohl der Krümmungsradius durch Zunahme in der Anzahl an Einbettungen bzw.
Eintauchungen vergrößert werden könnte, wurden keine Veränderungen bemerkt,
sogar wenn das Eintauchen mehr als fünfmal durchgeführt worden ist, wie dies in
Tafel 1 wiedergegeben ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurden 500
Teile des zu formenden Vorrohmaterials für ein optisches Element einer
Batchbehandlung ausgesetzt, wobei die Krümmungsradien überhaupt nicht beeinflußt
wurden, sogar wenn die Anzahl der Rohmaterialien 1 verändert wurde. Demgemäß
konnten durch die vorliegende Ausführungsform die zu formenden Materialien für
ein optisches Element mit den Krümmungsbereichen, die die erforderlichen
Krümmungsradien kleiner als 0,1 mm aufweisen, ohne weiteres und stabil gebildet
werden. Weiterhin ist die Rauhheit des zylindrischen Abschnitts nach dem
Ätzvorgang auf 0,1 um verbessert worden.
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In der nachfolgenden Tafel 2 sind die Ergebnisse gezeigt die durch Formen von
1000 Teilen von zu formenden Materialien für ein optisches Element, die viermal
eingetaucht worden sind, erhalten werden, und die Ergebnisse gezeigt die erhalten
werden, wenn 1 000 Teile des zu formenden Materials für ein optisches Element in
dem Zustand geformt werden, wo sie ohne irgendeine Behandlung keine
Krümmungen an den Kantenbereichen aufweisen.
Tafel 2
Keine Krümmung an dem Kantenbereich
Mit Krümmung an dem Kantenbereich
Häufigkeitsrate eines Absplitterns an einem optischen Element (%)
Häufigkeitsrate einer fehlerhaften Funktion des optischen Elements (%)
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Wie aus der Tafel 2 hervorgeht, werden keine fehlerhaften Produkte bei den zu
formenden Materialien mit Krümmungen an den Kantenbereichen erzeugt. Da
weiterhin die Rauhheit an dem zylindrischen Abschnitt gleichzeitig durch den
Ätzprozeß verbessert wurde, wurde die Möglichkeit an Störungen in der
Übertragung und der optischen Leistung des optischen Elements ebenso verringert.
(2. Ausführungsform)
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Figur 3 zeigt ein Diagramm, das einen Zustand wiedergibt, wo die
Krümmungsbereiche durch Richten des Kohlendioxidgaslasers auf die Kantenbereiche gebildet
werden.
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Das Vorrohmaterial 1 wird in Figur 3 durch Halteglieder 8a, 8b und 8c drehbar
gehalten. Durch Neigen dieser Halteglieder 8a, 8b und 8c wird das Vorrohmaterial
1 während der Rotation verfahren. Daher wird der Kohlendioxidgaslaser 7 ebenso
veranlaßt, mit der gleichen Bewegunggeschwindigkeit zu gleiten. Die für das
Rohmaterial 1 verwendete Glasart ist SF6 mit einem Durchmesser von 4 mm und
einer Höhe von 10 mm. Die nachfolgende Tafel 3 zeigt den Laserausgang, die
Anzahl der Umdrehungen des zu formenden Vorrohmaterials für ein optisches
Element und die Krümmungsradien an den Krümmungsabschnitten gemäß der
Aufstrahlzeit.
Tafel 3
Laserausgang (W)
Umdrehungen des Rohmaterials
Bestrahlungszeit (sek.)
Krümmungsradius an einem
Krümmungsabschnitt (mm)
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Wie aus der vorstehenden Tafel 3 hervorgeht, konnten die Krümmungsradien an
den Krümmungsabschnitten ohne weiteres durch Veränderung des Laserausgangs,
der Anzahl der Umdrehungen des Rohmaterials und der Aufstrahlzeit variiert
werden.
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In dem Fall jedoch, wo der Krümmungsradius bei 0,23 mm lag, erstreckte sich die
Rauhheit des zylindrischen Abschnitts in den flachen Endabschnitt des zu
formenden Materials 5 für ein optisches Element durch 0,1 mm. Während der
Druckformung erstreckte sich daher der rauhe Bereich an der Rauhheit des zylindrischen
Abschnitts 3 in den wirksamen Durchmesser des optischen Elements, wodurch der
Transmissionsfaktor um ca. 10 % verringert wird.
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Bei dem zu formenden Material 5 für ein optisches Element, welches unter anderen
Bedingungen als vorstehend beschrieben, erzeugt worden ist, können gewünschte
Transmissionsfaktoren erhalten werden.
(3. Ausführungsform)
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Nachfolgend wird die Ausführungsform gezeigt, bei der die Krümmungsbereiche
durch Strahlungshitze eines elektrischen Ofens erzeugt werden.
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Figur 4 zeigt einen Zustand, wo die Krümmungsbereiche durch Einsatz des
Elektroofens geformt worden sind.
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In Figur 4 ist ein Erhitzungsblock 9, der im Querschnitt eine im wesentlichen U-
Form aufweist, gezeigt. In den Wänden des Erhitzungsblocks 9 sind
Heizeinrichtungen 10 eingebettet, während in einem Raum innerhalb des Erhitzungsblocks 9
Halteglieder 11 zum Halten des zu formenden Vorrohmaterials 1 für ein optisches
Element angeordnet sind. Das auf den Haltegliedern 11 angeordnete
Vorrohmaterial 1 wird zum Erhitzen durch eine Zuführöffnung (nicht gezeigt) des elektrischen
Ofens zugeführt, um die Krümmungsabschnitte zu bilden. Die Glasart für das
Vorrohmaterial 1 ist SF8 mit einem Durchmesser von 4,5 mm, einer Höhe von 5
mm, einer Rauhheit an den flachen Bereichen von 0,1 um und einer Rauhheit an
dem zylindrischen Abschnitt von 1 um.
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Die Krümmungsradien an den Krümmungsabschnitten sind bei dem vorstehend
erwähnten Fall in Abhängigkeit der Temperaturen in dem elektrischen Ofen und der
Erhitzungszeit in der nachfolgenden Tafel 4 wiedergegeben.
Tafel 4
Temperatur des Elektroofens (ºC)
Erhitzungszeit (sek.)
Krümmungsradius an einem
Krümmungsabschnitt
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Verglichen mit dem Fall, wo die Krümmungsradien an den Krümmungsabschnitten
durch einen chemischen Ätzvorgang und durch Hitzeeinwirkung eines
Kohlendioxidgaslasers gebildet werden, ist der Einsatz dieser dritten Ausführungsform sehr
viel besser in ihrer Produktivität als bei den beiden früher beschriebenen Verfahren,
obwohl mehr Zeit zur Bildung des Krümmungsradius erforderlich ist, wie dies in
Tafel 4 gezeigt ist. Weiterhin wurde die Rauhheit an dem zylindrischen Abschnitt
nach der Bearbeitung auf 0,1 um verbessert.
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Die nachfolgende Tafel 5 zeigt das Resultat, das durch Formen von 1000 Teilen
aus den zu formenden Materialien für ein optisches Element unter den Bedingungen
der elektrischen Ofentemperatur bei 700 ºC und einer Erhitzungszeit von 60 Sek.
erhalten wurden, und das Ergebnis, das durch Formen von 1000 Teilen aus den zu
formenden Materialien für ein optisches Element erhalten worden sind, die ohne
jede Bearbeitung keine Krümmungen an den Kantenbereichen aufweisen.
Tafel 5
Keine Krümmung an dem Kantenbereich
Mit Krümmung an dem Kantenbereich
Häufigkeitsrate eines
Absplitterns an einem
optischen Element (%)
Häufigkeitsrate einer
fehlerhaften Funktion des
optischen Elements (%)
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Wie aus Tafel 5 hervorgeht, wurden keine fehlerhaften Produkte bei den zu
formenden Materialien mit Krümmungen an den Kantenbereichen erzeugt. Da
weiterhin die Rauhheit an den zylindrischen Abschnitten gleichzeitig durch die
Vorbehandlung verbessert wurde, wurde ebenso die Möglichkeit an Störungen in dem
Transmissionsfaktor und der optischen Leistungsfähigkeit des optischen Elements
verringert.
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In jedem der vorstehenden Ausführungsformen konnten die Krümmungsabschnitte,
die Krümmungsradien von weniger als 0,1 mm aufweisen, stabil und präzise
hergestellt werden, wie dies bisher beschrieben worden ist. Da das zu formende
Material für ein optisches Element in seiner mechanischen Belastbarkeit an den
Randabschnitten gesteigert wird, kann das Glasmaterial in die Formstempel ohne
der Gefahr der Absplitterung an die Randbereichen eingeführt werden, wobei auch
keine Glasbruchstücke innerhalb der Stempel gefunden wurden.
(4. Ausführungsform)
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In der die 4. Ausführungsform wiedergegebenden Figur 5 ist eine weitere
Formungsvorrichtung zum Ausführen des Herstellvorgangs für optische Elemente
gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Formgebungsvorrichtung enthält
einen oberen Stempel 12, einen unteren Stempel 13 und einen tonnenförmigen
Stempel 15, der in seiner Höhe in geeigneter Weise eingestellt ist, so daß eine
Abweichung in den Achsen zwischen dem oberen Stempel 12 und dem unteren
Stempel 13 beseitigt wird und so daß auch eine vorbestimmte Dicke für das
optische Element erreicht wird, wobei ein zu formendes Material 14 für ein
optisches Element in einem Raum eingeführt wird, der durch den oberen Stempel 12
und den unteren Stempel 13 sowie den tonnenförmigen Stempel 14 definiert wird.
Das zu formende Vorrohmaterial 14 für ein optisches Element weist die vorstehend
bereits beschriebene Säulenform auf. Seine Seitenfläche weist infolge eines
spitzenlosen Bearbeitungsvorgangs eine Rauhheit von ungefähr 10 um auf, wobei
seine einander gegenüberliegenden Endflächen zu Spiegelflächen poliert sind. Das
Vorrohmaterial 1 wird an seinen Kantenbereichen 14a an den einander
gegenüberliegenden Enden thermisch behandelt, um die erforderlichen Krümmungen durch
Hitzebehandlung bei vorbestimmten Temperaturen für eine bestimmte Zeit durch
einen elektrischen Ofen zu erhalten. Die Seitenfläche des zu formenden Materials
14 für ein optisches Element, das durch den vorstehend erwähnten
Hitzebearbeitungsvorgang erzeugt wird, wird zu einer Spiegelfläche geformt. Das so erhaltene,
zu formende Material 14 wird in die Form so eingebracht, daß seine einander
gegenüberliegenden Endflächen in Berührung mit Übertragungsflächen 12a und
13a des oberen Stempels 12 und des unteren Stempels 13 gelangen. An einem
Flanschabschnitt 12c des oberen Stempels 12 ist eine
Druckbeaufschlagungsbühne 16, die mit einem Erhitzungsmittel (nicht gezeigt) versehen ist, so
angeordnet, daß sie eine Niederdrückkraft aus einer Hydraulikpumpe und dgl. (nicht
gezeigt) aufnimmt. Die Niederdürckkraft für die Druckbeaufschlagungsbühne 16 ist
so ausgebildet, daß sie auf jeden gewünschten Druck oder auf 0, während des
Formgebungsvorganges reduziert werden kann. Der untere Stempel 12 ist an
seinem Bodenflanschabschnitt 13 an einer ortsfesten Formgebungsbühne 17, die
ebenfalls mit einem Erhitzungsmittel (nicht gezeigt) versehen ist, angeordnet.
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Nachfolgend wird der Vorgang zum Formen des zu formenden Materials 14 durch
Einsatz der Formgebungsvorrichtung, die wie vorstehend erläutert aufgebaut ist,
beschrieben.
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Für die vorliegenden Ausführungsform wurde ein säulenförmiges Material aus
optischem Glas SF8, das einen Durchmesser von 6 mm und eine Höhe von 6 mm
aufweist, für das zu formende Material für ein optisches Element verwendet. Es
wurde ein Krümmungsradius von 0,1 mm erhalten wenn die Prozeßbedingungen
für den Erhitzungsvorgang auf 500 ºC bei 30 Minuten gesetzten wurden, wobei
die Rauhheit an der Seitenfläche zu 0,1 um wurde. Der Krümmungsradius an dem
Kantenbereich 14A sollte vorzugsweise größer als 0,05 mm sein, da im Falle eines
geringeren Krümmungsradius als 0,05 mm die Möglichkeit besteht, daß ein
Absplittern stattfindet, wenn das zu formende Material 14 in die Form eingebracht
oder der obere Formstempel in Kontakt mit dem zu formenden Material gebracht
wird. Wenn beabsichtigt wird, den Krümmungsradius auf einen Wert größer als 1
mm zu setzen, wird die für den Erhitzungsvorgang notwendige Zeit sehr lang, was
nicht für eine Massenproduktion geeignet ist. Es ist klargemacht worden, daß,
wenn die Rauhheit an der Seitenfläche des Glasmaterials geringer als 0,5 um ist,
der Transmissionsfaktor und die optische Leistung des optischen Elements nicht
beeinflußt wird. An einem Mittenbereich an jedem der Endflächen des zu
formenden Materials 14 für ein optisches Element bleiben flache Abschnitte zurück. Ein
derartiges zu formendes Material 14 wird vertikal auf den unteren Stempel 13 zum
Kontakt mit der Übertragungsfläche 13a eingebracht. Nach Einsetzen des
tonnenförmigen Stempels 15 auf den unteren Stempel 13 wird der obere Stempel 12
entlang des tonnenförmigen Stempels 15 eingesetzt, wodurch er in Kontakt mit
dem zu formenden Material 14 gelangt. In diesem Fall werden Räume 12b und
13b, die durch die Übertragungsflächen 12a und 13a der Stempel 12 und 13
sowie der Endflächen des zu formenden Materials 14 umgeben sind, gebildet.
Danach wird den Erhitzungsmitteln Energie zugeführt, um das zu formende
Material auf bis zu 530 ºC zu erhitzen. Einige Zeit nach Erreichen einer Temperatur von
530 ºC erreicht die Viskosität des zu formenden Materials 10¹&sup0; Poise. Daraufhin
wird Druck auf die Druckbeaufschlagungsbühne 16 aufgebracht und der obere
Stempel 12 beginnt das zu formende Material 14 niederzudrücken. Zu diesem
Zeitpunkt sollte der Druck vorzugsweise über 2 kg/mm² liegen. Bei einem
Gesamtdruckhub von 5 mm bis der Flanschabschnitt 12c des oberen Stempels 12 in
Kontakt mit der Endfläche des tonnenförmigen Stempels 15 gelangt wird die
Druckbeaufschlagung einmal nach einem Niederdrücken von bis zu 2,5 mm
gestoppt. Die Druckbeaufschlagungsbühne 16 wird angehoben, um von dem oberen
Stempel 12 so beabstandet zu sein, daß der Druck auf 0 reduziert wird. Sogar
wenn der Druck auf 0 reduziert wird, werden der obere und der untere Stempel 13
mit dem zu formenden Material 14 in inniger Berührung gehalten. Zu diesem
Zeitpunkt hat die Viskosität des zu formenden Materials 14 den Wert 10&sup9; Poise
erreicht. Die Räume 12b und 13b, die durch die Formtransferflächen 12a und 13a
sowie den Endflächen des zu formenden Materials 14 umgeben und in einem
positiven Druck gehalten sind, kehren zu einem Normaldruck zurück. Nach dem
daraufhin die Druckbeaufschlagungsbühne 16 wieder in Kontakt mit dem oberen
Stempel 12 gebracht worden ist, wird die Druckbeaufschlagung wieder begonnen
zum Formen bis zu dem Gesamtdruckhub von 5 mm. Zu diesem Zeitpunkt sind die
Räume 12b und 13b vollständig auf beseitigt und die Form der Formtransferfläche
ist vollständig auf zu formende Material 14 für ein optisches Element übertragen
worden. Danach wird die Energiezuführung unterbrochen und das zu formende
Material 14 wird auf eine Temperatur von 430 ºC in dem Druckzustand für ein
nachfolgendes Verringern des Druckes auf 0 abgekühlt. Nach Erreichen der
Raumtemperatur wird anschließend die Form zum Herausnehmen des optischen
Elements geöffnet. Das geformte optische Element hat die Rate von 0 % für das
Auftreten von Absplitterungen bei einer ausgezeichneten Leistung als optisches
Element.
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Es ist hier zu bemerken, daß bei der vorstehenden Ausführungsform, obwohl der
Druck auf 0 während der Formgebung reduziert wurde, die Vorgehensweise
modifiziert werden kann, um nur den Druck zu reduzieren, da das Zurückkehren zu
dem Normaldruck nur durch Druckreduzierung in Abhängigkeit der Art und der
Größe des zu formenden Materials für ein optisches Element erreicht werden kann.
Es ist notwendig, daß die Bedingungen für den Erhitzungsvorgang, um das zu
formende Material für ein optisches Element vorzubereiten, in Abhängigkeit der Art
des Rohmaterials zweckmäßig verändert werden. Weiterhin ist die Spiegelfläche
für die Endflächen des zu formenden Materials für ein optisches Element
erforderlich. Ein Querschnitt, der eine Rauhheit aufweist, die gleich zu der der polierten
Fläche ist, kann für diesen Zweck verwendet werden.
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Es ist zu bemerken, daß bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen die
Form des zu formenden Materials nicht auf die Säulenform beschränkt ist, sondern
in einer rechteckigen Form, Parallel-Epipedform, einer kubischen Form und dgl. zur
Erleichterung der Bearbeitung ausgebildet sein kann, obwohl das zu formende
Material für ein optisches Element in Säulenform verwendet ist.