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Verfahren zur Herstellung von Linsen und ähnlichen optischen Einrichtungen.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von optischen Linsen, Spiegeln u. dgl., d. h. von optischen Einrichtungen von solcher Genauigkeit oder Vollkommenheit, dass sie ein hohes Mass von Bildschärfe ergeben, im Gegensatz zu einer rohen Optik, wie sie beispielsweise durch die Linsen üblicher Art in elektrischen Taschenlampe, Leuchtturmanlagen und Verkehrsignalen dargestellt wird.
Soweit hochwertige Glaslinsen der hier in Rede stehenden Art in Frage kommen, war es entweder so, dass sie nur unter erheblichen Kosten herstellbar waren (u. zw. im Falle der im übrigen ein-
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sonstige Aberration, mit Ausnahme der chromatischen, zu vermeiden und anderseits ein hohes Mass von Bildschärfe zu liefern, ohne aber eine Mehrzahl von Teillinsen zu verwenden), oder es war so, dass im Falle von Einrichtungen mit Fresnel-oder ähnlicher Zonenoptik deren Herstellung entweder völlig unmöglich oder mindestens durch die hohen Kosten äusserst erschwert war.
Es ist bei den bisherigen
Verfahren praktisch unmöglich, die Lage und Stellung der einzelnen Zonen zueinander so auszurichten und diese Ausrichtung im Herstellungsvorgang so aufrechtzuerhalten, dass ihre Achsen oder Flächen genau mit der optischen Achse oder Ebene des betreffenden Systems zusammenfallen.
In der österreichischen Patentschrift Nr. 146005 ist ein Verfahren zur Herstellung von optischen Präzisionslinsen u. dgl. durch Pressen von durchsichtigen thermoplastischen Massen bei verhältnismässig niederen Wärmegraden mittels Stempeln beschrieben, welche in dem beim Fertigen von optischen Linsen üblichen Mass poliert sind. Bei diesem speziellen Herstellungsverfahren können offenbar die sich schliesslich ergebenden Krümmungen der Oberflächen der Linsen od. dgl. nach Abkühlung auf gewöhnliche Temperatur nicht vollkommen genau mit denjenigen der optisch genau gearbeiteten Stempel, die beim Formen verwendet wurden ; übereinstimmen, denn die Oberflächen der Stempel und der geformten thermoplastischen Masse kühlen rascher aus als ihre inneren Teile.
Darum ist es bei diesen bekannten Verfahren zwar möglich, Linsen od. dgl. mit verhältnismässig kleinem Öffnungverhältnis und praktisch ausreichender Genauigkeit anzufertigen, weil sich bei diesen die genannten Fehler nicht merklich auswirken, jedoch wäre es unmöglich, ebenso genaue Linsen od. dgi. mit grossem Öffnungsverhältnis als Formstücke aus thermoplastischen Massen in Serien herzustellen und dabei ebenfalls das geforderte hohe Mass von Bildschärfe sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung löst für die Serienherstellung von Linsen u. dgl. mit grossem Öffnungverhältnis die oben angegebene Aufgabe dadurch, dass bei Verwendung einer thermoplastischen Masse als Linsenmaterial die Pressflächen der Stempel in dem weiter unten angegebenen Ausmass je nah dem Ergebnis der interferometrischen Nachprüfung eines oder mehrerer Probepresslinge durch stellenweises Polieren nachgearbeitet werden, was zur Folge hat, dass bei Verwendung solcher Stempel, so teuer auch die Herstellung derselben sein mag, Linsen od. dgl. mit grossem Öffnungsverhältnis sehr billig jeweils in einer Serie mit grosser optischer Genauigkeit hergestellt werden können und in manchen Fällen aus diesem Grunde einen ganz neuen Handelsgegenstand bilden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine nichtsphärische Linse von vorherbestimmter Oberfläehenkrümmung durch Formpressen einer durchsichtigen thermoplastischen Masse etwa in der genannten und in der österreichischen Patentschrift Nr. 146005 beschriebenen Weise hergestellt, wobei jedoch jenes Verfahren dadurch abgewandelt wird, dass dem Stempel zunächst eine annähernd genaue vorherbestimmte nichtsphärisehe Form an seiner Oberfläche gegeben wird, wie dies durch maschinen-
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mässige oder mechanische Mittel, z.
B. mittels Verwendung von Lehren und Stichmassen, welche eine
Genauigkeit von nur etwa 0'025 mm oder im höchsten Falle 0'0025 mm ergeben, erreichbar ist, worauf eine oder mehrere Linsen mit diesen Stempeln als vorläufige Probestücke geformt werden und das Ausmass der Abweichung dieser Probestücke von der genauen niehtsphärischen Krümmung der angestrebten Form durch interferometrische Messungen genau festgestellt wird und dass nun der Stempel entsprechend stellenweise derart nachpoliert wird, dass die hienach mit ihm geformten Serien von Linsen die geforderten optisch genauen nichtsphärisehen Oberflächen besitzen.
Es ist sicherlich einzusehen, dass das eben angegebene Verfahren mit Hilfe des stellenweisen Nachpolierens des Stempels in dem durch interferometrische Vergleichung festgestellten Ausmass tatsächlich eine Genauigkeit zum Ergebnis haben kann, welche der von Rayleigh angegebenen Toleranzgrenze von 1/4 für eine in den Grenzen der Wahrnehmbarkeit einwandfreie Abbildung nahekommt. Es werden bei Anwendung der interferometrischen Prüfung gemäss vorliegendem Verfahren nicht nur Formfehler des Gesenkes und die von der Gestalt des Erzeugnisses und des Gesenkes abhängige Verschiedenheiten der Aussenflächen
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Die Erfindung umfasst in gleichem Masse auch die Herstellung ; einer Serie von rein sphärischen Linsen mit verhältnismässig grossem Öffnungsverhältnis und grosser Genauigkeit, welche durch Formpressen von durchsichtigen thermoplastischen Massen analog dem vorstehend angegebenen Verfahren geformt werden können.
Im Falle von Einrichtungen mit Fresnel-oder ähnlicher Zonenoptik wird ausserdem der Stempel selbst in einer an sich schon für das Formen von rohen Fresnel-Linsen aus Glas bekannten Weise aus einer Mehrzahl von in der Längsrichtung gegeneinander versetzbaren Teilen von entsprechenden Querabmessungen zusammengesetzt ; die genannten Teile werden während des Warmpressens der thermoplastischen Masse um das erforderliche Mass gegeneinander versetzt gehalten, um so dem Formmaterial die für eine Fresnel-oder ähnliehe Zonenoptik notwendige Form zu erteilen.
Dieses weitere Erfindungs- merkmal besteht darin, dass die einzelnen Teile des Stempels, welche ursprünglich alle die gleiche Länge besitzen mögen, gemeinsam, während sie noch ohne gegenseitige Versetzung vereinigt sind, auf einer Seite die optisch genaue sphärische oder nichtsphärische Form in der oben erwähnten Weise als Anfangsgestalt erhalten, worauf die einzelnen Teile gegeneinander um diejenigen Beträge längsverschoben werden, welche den Stufen entsprechen, welche die Fresnel-oder sonstige ähnliche "gestufte" Optik besitzen soll.
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, u. zw. ist Fig. 1 ein Diametralschnitt durch eine Fresnel-Linse, wobei zwecks klarerer Kennzeichnung die Abstufungen übertrieben dargestellt sind. Fig. 2 ist ein Diametralschnitt durch ein zusammengesetztes Gesenk, mittels welchem die Fresnel-Linse nach Fig. 1 geformt wird, Fig. 3 ist ein gleicher Schnitt wie in Fig. 2 und zeigt, wie das zusammengesetzte Gesenke ausgebildet ist und Fig. 4 ist ein Diametral-
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zeugung zeigt.
Die in Fig. 1 dargestellte Linse wird zwischen einem nicht dargestellten unteren Gesenk und einem oberen Gesenk gefertigt, das in Fig. 2 abgebildet und, wie zum Teil in Fig. 3 gezeichnet, zusammengestellt ist. Beispielsweise weist ein Gesenk für eine dreizonige Fresnel-Linse drei Teile auf, nämlich einen mittleren Zylinder 1 von kreisförmigem Querschnitt, der von einem eng anschliessenden Rohr 2 umgeben ist, das seinerseits wieder von einem eng anschliessenden Rohr 3 umgeben ist. Entsprechend der gewünschten Zonenanzahl der Linse können noch mehr derartige Rohre vorgesehen sein. Die Teile 1, 2 und 3 können aus geglühte Eisen oder Stahl erzeugt sein.
Anfänglich erhalten die Einzelteile 1, 2 und. 3 oben wie unten ebene Endflächen, aber das obere Ende des Gesenkes (Fig. 3) erhält dadurch die gezeichnete, abgestufte Form, dass beispielsweise die zwei
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Versetzen steht, der für die einzelnen Zonen der Fresnel-Linse (Fig. 1) gewünscht wird. Die drei Teile werden dann zusammengestapelt, so dass ihre drei Flächen an ihrem unteren Ende sich in einer ein- zigenEbene befinden, wie dies durch die gestrichelteLinie-1 in Fig. 3 angedeutet ist. Die drei Teile können in der Lage gemäss Fig. 3 starr verbunden werden, beispielsweise dadurch, dass ein sich im Durchmesser verjüngendes Loch eingebohrt und in dieses ein keilförmiger Stift 5 eingeführt wird, der die drei Teile in den erwünschten relativen Lagen zueinander festhält (Fig. 3).
Die untere Fläche des zusammengesetzten Gesenkes wird dann durch das Verfahren gemäss Erfindung derart bearbeitet, dass eine hoch- glanzpolierte, nichtsphärische oder genau sphärische konkave Gesenkoberfläehe entsteht, wie im nachstehenden unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher beschrieben wird.
Der Keil 5 wird dann herausgezogen, die drei Teile werden als Ganzes umgedreht und auf eine ebene Fläche gestellt, so da ss die drei Endflächen an dem früher oberen Ende in eine Ebene zu liegen kommen, während an den sphärischen konkaven Oberflächen an dem entgegengesetzten Ende eine Abstufung eintritt. Die drei Teile können dann in dieser Lage dadurch verriegelt werden, dass bei-
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spielsweise der Keil. 5 oder aber ein anderer Keil in eine andere Bohrung, wie bei Ja angedeutet ist (Fig. 2), eingetrieben wird. Wenn die Einzelteile 1, 2 und des Gesenkes auf diese Weise miteinander verriegelt sind, dann können sie zum Heisspressen der in Fig. 1 beispielsweise dargestellten Fresnel-
Linse verwendet werden.
Es ist selbstverständlich, dass das Ausmass der zonenweise Abstufung der Fresnel-Linse auch in anderer Weise als in den Fig. 2 und 3 dargestellt, erzielt werden kann, das Wesentliche besteht darin, dass die einzelnen Teile des zusammengesetzten Gesenkes in den gewünschten gegenseitigen Lagen festgehalten werden. Beispielsweise können die einzelnen Teile miteinander verschraubt und gegen gegenseitige Drehung in irgendeiner bekannten Weise, wie beispielsweise durch Bolzen, gesichert sein, die in Längslöcher oder-schlitze eingeführt werden können.
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letztere Genauigkeit zwangsläufig und unschwer durch die vorliegende Erfindung erzielt wird.
In Fig. 4 stellt 6 eine einfache plankonvexe Linse beispielsweise dar und mit 7 ist ein Gesenk bezeichnet, mittels dessen diese Linse 6 erzeugt werden kann, wobei ebenso wie bei den Fig. 2 und 3 das Gegengesenk nicht dargestellt ist. Offensichtlich könnte die Linse und das Gesenk auch in gleicher Weise ausgebildet sein wie gemäss Fig. 1 und 2. Die in Fig. 4 dargestellte Linse 6 hat angenommenerweise eine vollständig sphärische obere Fläche, während angenommen ist, dass die optisch polierte Oberfläche 8 des Gesenkes niehtsphäriseh ist, wie dies in stark übertriebenem Mass durch die schwarzen Teile 9 angedeutet ist, aber es kann auch die Linse als nichtsphäriseh angenommen werden.
Infolgedessen können die schwarzen Teile 9 jenen Teil der Gesenkoberfläche darstellen, der wegpoliert ist, damit sich zum Schluss eine vollkommen sphärisehe Oberfläche der Linse 6 ergibt, oder es können die schwarzen Teile 9 den Unterschied zwischen einer genauen sphärischen Oberfläche und der nichtsphärischen Oberfläche, die die Linse annehmen soll, darstellen, in welchem Falle die Oberfläche. 8 des Gesenkes selbstverständlich annähernd diese nichtsphäriscl1e Form erhält, die gewünschtenfalls mit Rücksicht auf ungleichmässige Kühlwirkungen korrigiert wird, Bei der Verwirklichung dieses Hauptgedankens der Erfindung wird beispielsweise eine Linse 6, die mittels eines bestimmten Verfahrens mit einem sphärischen Gesenk erzeugt wurde,
in ein zur Prüfung von Linsen dienendes Interferometer eingebracht und die Verformungen der Wellenfront von ihrer idealen Form werden abgeschätzt oder bestimmt. Wenn in einer bestimmten Zone der Linse die beobachtete Abweichung X Wellenlängen beträgt, so ergibt sich die in der Oberfläche der Linse erforderliche Korrektur t aus der Gleichuna'
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wobei u. den Brechungskoeffizienten des Materials darstellt.
Da die gewöhnlieherweise erforderlichen Korrekturen sich bloss in der Grössenordnung von wenigen Lichtwellenlängen bewegen, so kann man oft mit genügender Genauigkeit t == X setzen.
Wenn nun das Gesenk als ein Spiegel des zur Priifung der Linsen dienenden Interferometers benutzt wird und vollständig sphärisch ist, so sind keine Brechungen zu sehen. Eine stellenweise Verformung um y Wellenlängeneinheiten erzeugt eine Brechungsverschiebuns-um 2 ?/Brechungen. Es ist infolgedessen bloss notwendig, das optische Gesenk stellenweise entsprechend zu polieren, bis sich an jener Stelle bei der interferometrischen Prüfung der halbe Wert der Bandanzahl ergibt, die sich bei der ursprünglichen mittels sphärischen Gesenken erzeugten Linse ergibt. Die Korrektur muss natürlich in entgegengesetztem Sinne erfolgen.
In der Beschreibung und den Ansprüchen ist unter dem Ausdruck "Linse" jede optische Präzisionseinrichtung bzw. jeder Teil von ihr, wie beispielsweise Spiegel, Prismen u. dgl., zu verstehen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren, um durch Warmpressen von durchsichtigen thermoplastischen Massen bei verhältnismässig niederen Temperaturen mittels den optischen Anforderungen entsprechend polierten Stempeln Linsen und ähnliche Einrichtungen einschliesslich solcher mit Fresnel-Optik mit hoher optischer Genauigkeit und Vollkommenheit herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Herstellung einer nichtsphärischen oder einer genau sphärischen Linse mit grossem Öffnungsverhältnis zuerst dem Stempel annähernd die gewünschte nichtsphärische bzw.
genau sphärische Form gegeben wird, sodann eine oder mehrere Linsen mit diesem Stempel ausgeformt werden, hierauf der Grad der Abweichung dieser Linsen von der genauen angestrebten Form durch interferometrische Messung festgestellt und der Stempel entsprechend durch stellenweises Nachpolieren berichtigt wird und schliess- lieh eine Serie von Linsen der genauen geforderten Form mit dem nachgearbeiteten Stempel hergestellt wird.