ITTO20150219A1 - Processo per la produzione di un'unita' ottica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?PROCESSO PER LA PRODUZIONE DI UN'UNITA' OTTICA?

La presente invenzione ? relativa ad un processo per la produzione di un elemento ottico mediante integrazione di lastre di vetro.

L?invenzione trova una sua applicazione preferita, bench? non esclusiva, nella realizzazione di ottiche ad incidenza radente per telescopi per i raggi X, cui nel seguito si far? particolare riferimento, pur senza perdere di generalit?.

I telescopi per i raggi X possono operare solo dallo spazio data l'opacit? dell'atmosfera terrestre alle lunghezze d'onda dei raggi X considerati. Allo scopo di migliorare (diminuire) il rapporto peso/area efficace delle ottiche ad incidenza radente, l'utilizzo del vetro in lastre sottili opportunamente formate viene preso in considerazione in quanto permette di realizzare telescopi a raggi X con dimensioni sempre maggiori, ad esempio con un?area efficace dell'ordine di qualche m<2>, pur mantenendo la massa del sistema entro i limiti imposti dagli attuali lanciatori per l'inserzione in orbita di tali sistemi.

Aree efficaci dell'ordine di 0.1-4 m<2 >sono ottenute tramite una serie di specchi parabolici ed iperbolici anulari, di spessori ridotti (minori o uguali a 2 mm, tipicamente di circa 1 mm o meno), disposti in modo coassiale e co-focale l?uno all?interno dell?altro, in quella che viene comunemente chiamata ?struttura annidata?. Tali specchi raggiungono diametri che vanno da alcuni centimetri fino a diversi metri.

Generalmente, per realizzazioni di specchi per astronomia in raggi X basate sull?uso di fogli sottili in vetro o alluminio, ciascuno specchio ? suddiviso in una pluralit? di settori. Convenientemente, i settori omologhi di una serie di specchi concentrici vengono preassemblati (integrati) tra loro a formare pile di settori di specchio, o unit? ottiche, le quali vengono successivamente assemblate tra loro a formare lo specchio completo.

E? noto realizzare i settori di specchio a partire da lastre piane di vetro sottile mediante una tecnica di formatura a caldo denominata ?slumping?, che consiste nel replicare in una lastra di vetro la forma di uno stampo opportuno, ad esempio di forma cilindrica o asferica. La forma asferica finale viene poi ottenuta o fissata mediante il processo di integrazione.

Secondo una tecnica nota, per la formatura della lastra viene utilizzata una muffola di materiale resistente ad alte temperature e ripetuti cicli temici, comprendente un elemento di base definente una cavit? centrale ed un coperchio.

Nella cavit? centrale dell?elemento di base viene disposto uno stampo, la cui superficie superiore presenta la forma che si intende imporre alla lastra di vetro.

Durante la fase di preparazione del processo, la lastra di vetro viene appoggiata sullo stampo. Sulla lastra viene disposta una sottile lamina metallica, e quindi il coperchio viene chiuso, serrando perifericamente a tenuta la lamina metallica tra l?elemento di base e il coperchio stesso.

La muffola viene quindi posta in forno e sottoposta ad un ciclo termico avente lo scopo di ridurre la viscosit? del vetro, per effetto del quale la lastra collassa sullo stampo e ne riproduce la forma.

Per assicurare un perfetto contatto della lastra alla superficie dello stampo, viene applicata una pressione nella camera superiore della muffola compresa tra il coperchio e la lamina metallica, in modo che quest?ultima eserciti una pressione uniforme sulla lastra di vetro.

Il suddetto processo noto presenta l?inconveniente di un?insufficiente ripetibilit? di processo introdotta dalla lamina metallica; essa pu? infatti presentare difetti o formare grinze che si traducono in deformazioni locali della lastra di vetro.

Inoltre, poich? eventuali imperfezioni della lamina metallica possono riprodursi sulla superficie della lastra di vetro, quest?ultima deve essere necessariamente disposta con la superficie ottica a contatto con lo stampo (?slumping diretto?), il che comporta di realizzare lo stampo con un elevato grado di finitura superficiale.

Allo scopo di risolvere i suddetti problemi, ? stata elaborata una tecnica di slumping a caldo alternativa descritta in WO2015/022643, della stessa richiedente. Secondo questa tecnica, un bordo periferico della lastra di vetro in lavorazione viene vincolata tra il corpo ed il coperchio della muffola con una certa libert? di movimento, e la pressione viene esercitata direttamente sulla lastra di vetro, eliminando cos? il ricorso alla lamina metallica come elemento pressore. Pertanto vengono eliminati i problemi di ripetibilit? indotti dalla lamina, ed ? possibile realizzare sia lo slumping diretto che lo slumping indiretto delle lastre.

Nonostante questo perfezionamento, la tecnica di slumping a caldo richiede comunque tempi di esecuzione molto lunghi a causa dei cicli termici di riscaldamento e raffreddamento delle lastre, e risulta pertanto complessa e costosa.

Scopo della presente invenzione ? la realizzazione di un metodo per la produzione di unit? ottiche, il quale consenta di risolvere i problemi connessi con le tecniche note e sopra esposti.

Questo scopo ? raggiunto con un processo secondo la rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene descritta nel seguito una forma preferita di attuazione dell?invenzione, a titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

Le figure da 1 a 8 illustrano schematicamente fasi successive del processo della presente invenzione; e

la figura 9 illustra schematicamente un?unit? ottica realizzata mediante il processo della presente invenzione.

Con riferimento alle figura 9, ? illustrata schematicamente e indicata nel suo complesso con 1 un?unit? ottica costituente un modulo per realizzare un?ottica a incidenza radente per raggi X.

L?unit? ottica 1 comprende una pluralit? di lastre 2 di vetro di forma asferica, in particolare parabolica o iperbolica, impilate tra loro a formare una pila 10. Le lastre 2 sono collegate e mantenute spaziate tra loro da una pluralit? di barrette 3 distanziatrici.

L?unit? ottica 1 comprende inoltre almeno un guscio 4 di estremit? (o ?backplane?), avente lo scopo di conferire alla pila 10 la necessaria stabilit? e rigidezza. Opzionalmente sono presenti due backplane 4 che raggiudono tra loro la pila 10 di lastre di vetro. Il (o ciascun) backplane 4 ? collegato da barrette 3 alle lastre di estremit? della pila.

Le lastre 2 sono convenientemente realizzate in vetro di spessore pari a 0.3-0.6 mm. Possono essere utilizzati ,ad esempio i vetri denominati AF32 o D263 prodotti dalla Schott AG, oppure il vetro Eagle XG ? della Corning. Dimensioni tipiche, per un?unit? ottica disposta ad un raggio medio di 1 m, sono 200 mm ? 200 mm. Un?unit? ottica pu? comprendere, ad esempio, 40 lastre di vetro.

Il vetro pu? essere provvisto di un rivestimento riflettente, ad esempio Au, Pt, o multistrato Pt/C, Au/C, W/Si, Ni/Co.

Le barrette 3 sono convenientemente realizzate in vetro (ad esempio BK7 o Borofloat? 33 della Schott AG) o in grafite, e presentano sezione trasversale rettangolare.

Tra ciascuna coppia di lastre 2 adiacenti ? disposta una pluralit? di barrette 3, delle quali due disposte il pi? vicino possibile ai lati opposti delle lastre 2 e le altre generalmente equispaziate trasversalmente tra loro. Il numero, la dimensione e la posizione delle barrette necessario a dare la forma finale al vetro e? determinato tramite simulazioni numeriche; ad esempio, le barrette possono essere in numero di 6 ed avere una larghezza di 2 mm (in direzione parallela alle lastre 2) ed uno spessore di 2.8 mm di spessore in direzione perpendicolare alle lastre 2.

Secondo la presente invenzione, l?unit? ottica 1 viene realizzata a partire da lastre di vetro piane od opportunamente precurvate, ad esempio a caldo per gravit?, le quali sono deformate a freddo prima dell?integrazione fino ad assumere la forma desiderata, e poi mantenute nella configurazione deformata grazie all?integrazione.

La deformazione (slumping) a freddo avviene facendo aderire la lastra 2 ad una superficie di riferimento 5 della quale si vuole riprodurre la geometria, come sar? meglio descritto nel seguito.

La superficie di riferimento 5 ? convenientemente definita dalla superficie superiore di uno stampo 13 che pu? essere realizzato in materiale poroso (ad esempio in alluminio poroso disponibile in commercio con la denominazione METAPOR? dalla Portec Ltd.) o non poroso (ad esempio Zerodur o vetro BK7 della Schott AG, silice fusa, alluminio).

Il processo pu? essere eseguito sia mediante la tecnica di slumping diretto, in cui cio? il lato ottico della lastra viene disposto a contatto con la superficie di riferimento 5, sia mediante la tecnica di slumping indiretto, in cui cio? il dorso della lastra viene disposto a contatto con la superficie di riferimento 5.

Il procedimento viene descritto nel seguito, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento allo slumping a freddo diretto.

Sulla superficie di riferimento 5 viene preventivamente disposta una lastra 2 piana con il lato ottico (provvisto o meno di rivestimento) rivolto verso la stessa.

Successivamente, nel caso lo stampo 13 sia di materiale non poroso, un elemento di tenuta 6 periferico, costituito ad esempio da una pellicola elettrostaticamente autoadesiva di materiale vinilico di 0,15 mm di spessore, viene disposto sulla superficie di riferimento 5, con i propri bordi interni sovrapposti alla lastra 2 piana.

Viene quindi creata una depressione tra la lastra 2 e la superficie di riferimento 5, in modo tale da deformare a freddo la lastra 2 facendola aderire alla superficie di riferimento 5. La lastra 2 assume quindi la configurazione geometrica desiderata. La depressione pu? essere realizzata aspirando l?aria attraverso uno o pi? condotti (non illustrati) che sboccano sulla superficie di riferimento 5 e sono collegati ad una sorgente di vuoto, oppure attraverso la stessa superficie di riferimento 5, se lo stampo 13 ? realizzato in materiale poroso .

Sulla lastra 2 vengono quindi appoggiate le barrette 3, le quali vengono tenute in posizione tramite una maschera 7 perimetrale di posizionamento avente intagli interni 8 nei quali sono inserite le estremit? delle barrette 3. Convenientemente, la maschera 7 presenta uno spessore minore di quello delle barrette 3.

In una fase successiva, sulle barrette 3 viene disposta una quantit? appropriata di colla G, preferibilmente tramite erogatori automatici D, in modo da creare ? ad integrazione eseguita ? uno strato di spessore predefinito. La colla utilizzata pu? essere ad esempio EP30-2 commercializzata da Masterbond Inc..

Successivamente, la superficie di riferimento 5 viene movimentata in modo tale da portare le barrette 3 (o meglio la colla disposta su di esse) a contatto con l?elemento precedente della pila, portato da un supporto di integrazione 11. Con il termine ?elemento precedente della pila? si intende il (o uno dei) backplane 4, se la lastra 2 in lavorazione ? la prima lastra della pila 10, oppure la lastra 2 precedente. Bench? nell?esempio illustrato venga movimentata la superficie di riferimento 5, ? possibile movimentare invece il supporto di integrazione 11, essendo sufficiente che venga imposto un un movimento relativo tra la superficie di riferimento 5 e l?elemento precedente della pila.

La posizione e l?orientamento relativi tra la superficie di rifermento 5 ed il supporto di integrazione 11 ? mantenuta per il tempo di polimerizzazione della colla.

La movimentazione ed il mantenimento della posizione relativa durante la fase di polimerizzazione sono realizzati mediante attuatori (non illustrati) controllati in posizione ad anello chiuso.

Quando la polimerizzazione della colla e? terminata, la superficie di riferimento, e conseguentemente la lastra 2 su cui poggiavano le barrette 3, viene riporta nella posizione iniziale.

In una fase successiva, viene distribuita la colla anche sulla lastre 2, nelle zone corrispondenti alla posizione delle barrette 3.

La superficie di riferimento viene quindi nuovamente movimentata in modo da portare la lastra 5 nella configurazione finale di incollaggio rispetto all?elemento precedente della pila.

Anche in questo caso, tale posizione viene mantenuta per tutto il tempo di polimerizzazione della colla, dopo di che la depressione che trattiene la lastra 2 a contatto con la superficie di riferimento 5 viene eliminata e la superficie di riferimento viene riportata nella posizione iniziale.

Il processo viene iterato fino a realizzare la pila completa.

L?ultimo passo del processo ? l?eventuale integrazione dell?altro backplane 4 sulla pila 10 di lastre 2 gi? realizzata, se necessario.

Da un esame delle caratteristiche del procedimento descritto, sono evidenti i vantaggi che esso consente di ottenere.

Poich? la deformazione (slumping) delle lastre 2 viene eseguita a freddo, vengono eliminati i tempi di attesa connessi con l?esecuzione dei cicli termici propri dello slumping a caldo. Pertanto, il processo risulta molto pi? veloce ed economico rispetto alle tecniche note.

Risulta infine chiaro che al procedimento descritto possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito di tutela definito dalle rivendicazioni.

In particolare, lo slumping pu? essere realizzato in modo indiretto, ossia disponendo la lastra con il dorso, anzich? il lato ottico, a contatto con la superficie di riferimento.

Il numero e la forma delle lastre costituenti l?unit? ottica pu? variare, cos? come possono variare materiali e spessori delle lastre stesse, dell?eventuale rivestimento ottico e delle barrette di integrazione.

Qualora il processo sia utilizzato per realizzare ottiche ad incidenza radente per raggi X in configurazione asferica Wolter I, l?unit? ottica comprende una pila di lastre paraboliche ed una pila di lastre iperboliche separate ma coassiali e confocali. Convenientemente, la fase di deformazione a freddo e di integrazione pu? essere eseguita simultaneamente per una coppia di lastre, rispettivamente parabolica ed iperbolica, appartenenti alle rispettive pile.

In questo caso le superfici di riferimento devono essere monolitiche o comunque mantenute fisse fra loro tramite un collegamento rigido o tramite un controllo attivo durante la fase di integrazione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo per la realizzazione di un?unit? ottica (1) comprendente una pluralit? di lastre di vetro (2) di forma asferica disposte sovrapposte e spaziate fra loro a formare una pila (10), caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - disporre una lastra di vetro (2) piana o precurvata su una superficie di riferimento (5) avente la geometria che si desidera riprodurre; - deformare a freddo la detta lastra (2) in modo da farla aderire alla superficie di riferimento(5); - integrare la detta lastra (2) ad un elemento precedente (4; 2) della detta pila (10) in una posizione relativa predeterminata; e - iterare le fasi precedenti fino al completamento della pila.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta fase di deformazione a freddo ? realizzata creando una depressione tra la detta lastra (2) e la detta superficie di riferimento (5).
3. 3. Processo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la detta depressione ? ottenuta con l?ausilio di un elemento di tenuta periferico (6) cooperante con un bordo della detta lastra (2) e con la detta superficie di riferimento (5).
4. 4. Processo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il detto elemento di tenuta (6) ? conformato a cornice.
5. 5. Processo secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che il detto elemento di tenuta (6) ? costituito da una pellicola polimerica.
6. 6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta fase di integrazione comprende la fase di fissare dette lastra (2) in posizione spaziata all?elemento precedente (4; 12) della pila (10) mediante barrette (3) disposte spaziate tra loro.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la detta fase di integrazione comprende l?operazione di fissare una pluralit? di dette barrette (3) all?elemento precedente (4; 2) della pila (10), e l?operazione di fissare la detta lastra (2) alle dette barrette (3).
8. 8. Processo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che le dette operazioni di fissaggio sono eseguite mediante incollaggio.
9. 9. Processo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la detta fase di integrazione comprende le seguenti operazioni: - disporre le dette barrette (3) sulla detta lastra (2); - disporre uno strato di colla (G) sulle dette barrette (3); - realizzare uno spostamento relativo tra la detta superficie di riferimento (5) ed il detto elemento precedente della pila (4; 2) in modo da portare le dette barrette (3) a contatto con il detto elemento precedente della pila (4; 2); e - mantenere la posizione relativa tra la detta superficie di riferimento (5) e il detto elemento precedente (4; 2) della pila (10) per un tempo almeno pari al tempo di polimerizzazione della colla; e - separare la detta lastra (2) dalle dette barrette (5).
10. 10. Processo secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che la detta fase di integrazione comprende le seguenti ulteriori operazioni: - disporre uno strato di colla sulla detta lastra (2) in posizione corrispondente alle barrette (3); - realizzare uno spostamento relativo tra la detta superficie di riferimento (5) ed il detto elemento precedente (4; 2) della pila (10) in modo da portare la detta lastra (2) a contatto con le dette barrette (3); - mantenere la posizione relativa tra la detta superficie di riferimento (5) e il detto elemento precedente (4; 2) della pila per un tempo almeno pari al tempo di polimerizzazione della colla; - separare la detta lastra (2) dalla superficie di riferimento (5).