Herstellung sphärischer Linsen

Moin,

Christoph Bersch hat geschrieben:

Ich versuch's mal, bin aber auch kein Experte.

Also sphärische Linsen sind einfach herzustellen indem man folgendes tut: Man nimmt einen 'Schleifklotz' der Kugelförmig ist. Daruf bewegt man die Linse hin und her, rechts und links und überhaupt. Und man kann die Linse dabei sogar um ihre Achse rotieren lassen. All das führt dazu, daß die Linse ihre gewünschte Form annimmt obwohl der 'Schleifklotz' gar nicht perfekt Kugelförmig ist. Ungenauigkeiten gleichen sich im Mittel aus, so daß man mit einem imperfekten Schleifstein eine perfekte Kugel (-Linse) herstellen kann. Wenn sich der Schleifklotz auch noch abnutzt, nimmt er sogar im Laufe der Zeit automatisch eine Kugelform an.

Aspärische Linsen machen es einem da schwerer. alltagsgebräuchliche Asphären sind z.B. Brillengläser mit unterschiedlichen Krümmungsradien in den verschiedenen Richtungen. Solche Linsen bilden einen Abschnitt eines Ellipsoiden (Eiform) ab. Hestellen kann man die fast genauso, nur daß man beim Schleifen die Linse logischerweise nicht mehr um ihre Achse rotieren lassen darf. Dadurch ist dieser sich selbst in perfekte Kugelform bringende Effekt nicht mehr so groß. Das Werkzeug muß genauer vorbearbeitet werden und vermutlich auch genauer und öfter kontrolliert werden. Machbar ist sowas aber immer noch recht problemlos, das sieht man daran, daß solche asphärischen Brillengläser heutzutage der Standart sind.

Solche Linsen sind aber immer noch in jeder schnittrichtung betrachtet ein Kugelabschnitt. Nur eben je nach Schnittrichtung mit anderem Radius. Um die Fehler in der optischen Abbildung auszugleichen, also Farbränder u.ä. braucht man asphärische Linsen, die nicht mehr die Form eines Kugelabschnitts haben. Da wird es dann richtig kompliziert. Ichglaube, solche Linsen schleift man ganz ähnlich, nur daß der Schleifklotz hier eben die genau richtige Form haben muß und die Linse darauf nur mit ganz geringen Amplituden gerieben wird. Dadurch wird das Schleifen schwieriger (Schleifmittelzu- und Abfuhr, stell dir vor, du mußt einen Baumstamm durchsägen, darft die Säge dabei aber nur um einen Zentimeter hin und her bewegen). Vor allem aber entsteht die Linsenform nur aufgrund der Form des Schleifklotzes. Dieser muß also exakt die richtige Form haben. Abweichungen gleichen sich nicht mehr automatisch aus. Nutzt sich das Schleifwerkzeug ab, konvergiert es wieder zu der unerwünschten Kugelform. Es muß also laufend kontrolliert werden.

Praktisch stellt man solche Linsen preiswert her, indem man sie einfach in eine fertige perfekt polierte und geformte Gußform gießt. Das geht aber IMO nur bei Kunststoff. Und da die Gußform recht aufwändig herzustellen ist, nur bei größeren Stückzahlen (nicht bei Brillengläsern, die gibt es nämlich trotz der vielen Brillenträger in hunderten verschiedener Ausführungen). Eine Optik für eine Billig-Webcam mit Kunststofflinsen könnte daher tatsächlich asphärische Linsen beinhalten. Bei einer hochwertigen Kameraoptik mit Vergütung (entspiegelung) wird man aus anderen Gründen (und sei es aus Prestige) keine spritzgegossenen Kunststofflinsen einbauen. Da muß man dann spärische Linsen verwenden und die resultierenden Fehler durch Kombinationen verschiedener Linsen/Glassorten kompensieren. Oder man verwendet echte asphärische geschliffene Glaslinsen. Die dürften dann aber richtig teuer sein, weil die nötige Technologie bestimmt nicht von jeder Kleinfirma beherrscht wird.

Eine Möglichkeit wäre z.B. auch, die Linse beim Schleifen zu verbiegen und sie dann wieder zurückschnappen zu lassen. Inwieweit man das machen kann/tut, weis ich nicht.

Abschließend würde ich sagen, daß icht die Herstellung asphärischer Linsen so kompliziert ist, sondern eher die Herstellung sphärischer Linsen so verblüffend einfach ist. Eben weil sich Linse und Schleifklotz dabei von selbst die Kugelform geben. Bei nicht-Kugelform funktioniert das eben nicht mehr so einfach.

CU Rollo

Roland Damm schrieb:

Hallo,

was noch dazu kommt, man kann viele sphärische Linsenrohlinge zusammen auf einen Träger kitten und alle gemeinsam schleifen, in einem Bearbeitungsgang für alle Linsen gemeinsam. Bei asphärischen Linsen dagegen ist es wohl kaum möglich auf die gleiche Weise viele Linsen gemeinsam zu schleifen. Die sphärischen Linsen müssen nur auf einer Kugelkalotte mit dem gleichen Krümmungsradius wie der den die Lisnen bekommen sollen angeordnet werden. Bei den asphärischen Linsen kann so eine Form auf der viele Linsen gemeinsam angeordnet werden nicht existieren.

Bye

Roland Damm schrieb:

[tolle Beschreibung der Linsenfertigung]

Ob mans glaubt oder nicht: das Schleifwerkzeug behält seine Form dadurch, dass es immer wieder ans Werkstück angepasst wird. (Mit dreckiger Brühe weiße Wäsche waschen. Geht erstaunlich gut.) Eine andere Möglichkeit ist auch, das Werkzeug nicht über die ganze Fläche zu führen, sondern mit kleinen Stempeln einzelne Zonen der Linsenoberfläche zu bearbeiten.

ACK. Aber mittlerweile werden sogar Glasrohlinge an die optischen Betriebe als so genannte Presslinge ausgeliefert (natürlich nur, wenn die Anforderungen an die Homogenität des Glases gering sind). Der Glaskumpen wird in geschmolzenem Zustand zwischen Metallstempeln in die gewünschte Form gepresst, so dass für das fertige Teil nur mehr ein paar Zehntel mm Material abgetragen werden müssen. Aber definierte optische Flächen im Spritzgussverfahren bei Glas ist (noch) nicht.

Tun sie auch sehr häufig. Bei dieser Fertigung ist der Preisunterschied zwischen sphärischen und asphärischen Linsen nur mehr marginal.

^^^^^^^^^^^^^ Das kommt vor allem auf die Genauigkeitsanforderungen an. Genau genommen ist *jede* Linse asphärisch, auch eigentlich nach der anfangs von Roland beschriebenen Methode gefertigte. Und wenn es darum geht, bei Linsendurchmessern von 20 oder 30 cm eine durchschnittliche Flächenabweichung von der gewünschten Form in der Größenordnung «30 nm zu bekommen, ist das Fertigungsverfahren bei beiden Linsenarten wieder sehr ähnlich. Deswegen ist es da schon günstiger, wenige asphärische Linsen in der Optik zu benutzen, als viele sphärische, die gegenseitig ihre Fehler ausgleichen. Dadurch spart man eine ganze Anzahl an optisch wirksamen Flächen, die man bearbeiten muss, und gleichzeitig muss das Licht durch weniger Glas durch.

Das sowieso nicht, in der anspruchsvollen Optik tummeln sich nicht viele. Aber selbst die Großen bestellen inzwischen ihre Standardlinsen für Foto und Fernglas fertig poliert und beschichtet in Fernost. Es ist billiger. Die Anforderungen werden (meist) eingehalten, und Entspiegelungen sind oft sogar haltbarer als hier aufgetragene, weil in Singapur die Glasflächen noch mit Mitteln gereinigt werden, die bei uns längst verboten sind (krebserregend, fruchtschädigend, allergen etc. etc., aber halt sehr wirksam).

Das ist meines Wissens mittlerweile eine verbreitete Technik bei manchen Amateurastronomen, die Teleskopspiegel selber schleifen und polieren. Der interessierte Leser möge mal nach "Yolo-Schiefspiegler" und "amateur telescope makers" im Web suchen. Hier werden zwei torische Hohlspiegel benutzt. Die Methode soll sehr gut funktionieren. Das geht aber nur, wenn das Bauteil relativ dünn (und somit biegsam) ist und die Oberflächen gleichzeitig sehr flach gekrümmt.

So ist es.

Was mich nervt, ist die Tatsache, dass häufig mit dem Aufdruck "asphärische Linsen" geworben wird, was für sich genommen überhaupt nix aussagt. Es heißt nur, dass die Oberfläche keine Kugelgestalt hat. Das haben bei genauer Betrachtung alle. Eine schlampig polierte "sphärische" Linse weicht mehr von der Kugelform ab, als so manches Paraboloid. Das aufwändige ist eher, dem Bauteil eine nicht kugelförmige aber doch sehr genau spezifizierte andere Oberflächenform zu geben. Und auch wenn auf der Webcam draufsteht "aspherical lens", ist im Normalfall die Abbildungsleistung dieser Optik um Größenordnungen schlechter als die eines Objektivs einer Spiegelreflexkamera, welches nur aus sphärischen Linsen besteht. (Ist eigentlich das Gleiche, wie wenn am PC-Brüllwürfel steht 120 Watt PMPO. Letztlich ist es dann ein billiger 5 oder 10 Watt- Lautsprecher).

Gruß Josef

Moin,

Uwe Hercksen hat geschrieben:

Wenn man die Linsen einzeln elastisch und schwenkbar lagert, sollte es näherungsweise gehen. Klar, daß man so nicht die große Genauigkeit erreichen kann, aber bei Brillengläsern könnte es noch reichen.

Ich werde die Tage mal nachfragen. Ich muß ja zu meiner Schande gestehen, daß ich in einer Firma (aushilfsweise) arbeite, die Brillengläser herstellt. Mein Bereich ist aber eher der, die Beschichtungsanlagen sauber und staubfrei (wegen Hochvakuum) zu halten. Jedenfalls stellen die da auch gröstenteils asphärische Linsen her.

Aber wie wohl klar ist, asphärisch bedeutet nichts sonderlich konkretes. Auch Fensterglas ist gewissermaßen asphärisch:-). Es kommt eben genau darauf an, was gemeint ist. Asphärisch bedeutet am Ende nicht mehr, als 'so einfach geht es nicht'.

CU Rollo

Moin,

Josef Frank hat geschrieben:

Danke.

Sicher? Bei sphäriscvhen Linsen ja. Aber ich dächte, bei asphärischen Linsen funktioniert das nur noch näherungsweise.

Also wenn der Schleifklotz eine Kugel ist, kann man die Linse in alle Richtungen bewegen und drehen. Dadurch vermitteln sich die Krümmungen in allen Richtungen an allen Stellen des Werkzeugs. Ergo konvergiert es durch Abrieb zu einer Kugelform, genau so wie die Linse. Ist das Werkzeug aber ein Ellipsoid, dann hat es die gewünschten 2 verschiedenen Krümmungen nur noch in einem eingeschränktem Ortsbereich. Die Schleifbewegung der Linse darf also nur noch idealerweise infenitesimale Amplituden haben. Des weiteren darf man die Linse nicht drehen, da man ja in zwei Richtungen unterschiedliche Krümmungen haben will. Somit passiert keine Ausmittelung in Rotationsrichtung mehr und die Form kann 'wegdriften'. Ich rede jetzt übrigens von Asphären wie man sie als Brillengläser kennt, also einfach nur sphärisch plus Zylindrisch.

Bei Linsen die z.B. eine paraboloide Form haben sollen klappt es natürlich idealerweise gar nicht mehr und praktisch wohl nur mit (teuren) Einschränkungen.

Ist bei meinem Arbeitgeber (Brillengläser) der Normalfall. Gerade wenn man sich die Highlights anschaut, also größer

10dopt, ist das schon schön, wenn man nicht erst 5mm Glas wegschleifen muß.

Na gut, aber solche Linsen sind ja nun wirklich nicht gerade der Normalfall. Ich glaube so ab 20cm Durchmesser fährt man (aus diversen Gründen) mit einer Spiegeloptik besser.

Wem sagst du das...:-) Die Firma die mir die Brötchen bezahlt ist in den letzten 5 Jahren 2 mal verkauft worden und hat 4 mal den Namen gewechselt. Jetzt gerade gehört sie einem Amerikanischen Konzern. Jetzt verdienen sie ihr Geld mit hochwertig entspiegelten Brillengläsern aus Kunststoff und verkaufen die an Apollo oder Fielmann. Ältere Mitarbeiter denken mit Wehmut daran, daß man auch mal Linsen für Ferngläser hergestellt hat.

Echt? Freaks gibt es. Also ich würde da für den Selbstbau ja den Quecksilbergefüllten drehenden Plattenteller bevorzugen, das Konstrukt neigt von Natur aus dazu, die richtige Form zu bekommen. Aber man will ja nicht immer nur nach oben sehen...

CU Rollo

Uwe Hercksen schrieb: [viele sphärische Linsen gemeinsam auf einem Träger bearbeiten]

Ich denke mal, auch bei sphärischen Linsen geht der Trend zur Einzelbearbeitung: Die Mittendicke der Linsen ist homogener und fürs Zentrieren ist weniger Aufmaß zu berücksichtigen, weil die Keilfehler kleiner sind (sind mehrere Linsen auf einer Kalotte, so wird die Linse in der Mitte mit längerem Schleifen immer dünner, die Linsen am Rand dann keilförmig, so dass optische und mechanische Achse der Linse nicht mehr übereinstimmen. Dies wird korrigiert, indem der Rand der Linse abgschliffen wird).

Prinzip: Werkstück wird pneumatisch in eine Spannzange eingespannt und dann mit einem Topfwerkzeug geschliffen, danach mit mit einer Kugelschale, die mit PU ausgelegt ist, poliert. Das Werkstück dreht sich dabei relativ langsam, das Werkzeug vergleichsweise schnell. Das Polierwerkzeug wird bei Bedarf halt mit einem Fräser abgerichtet.

Die Vorteile stehen oben. Außerdem ist die Zeitersparnis relativ groß: Bis ich eine Hand voll Linsen warm mache, aufkitte und in der Schale abkühlen lasse, ist schnell eine halbe Stunde vergangen (eher mehr). Und dann muss ich sie ja erst noch schleifen und polieren, danach wieder abkitten und reinigen. In der Zeit habe ich mit der oben beschriebenen Methode bereits eine ganze Palette Linsen fertig (eine Fläche schleifen dauert je nach Linsen- durchmesser nur Sekunden bis wenige Minuten, Polieren auch nur wenige Minuten).

Bearbeitung mehrer Linsen im Verbund wird wohl zunehmend eine Nische werden für recht kleine, flache Linsen, bei denen zudem die Formtoleranzen recht eng sind. Bei der Einzelpolitur in der Spannzange werden durchaus auch Formabweichungen von spürbar weniger als 270 nm (P-V) erreicht. Bei Wald- und Wiesenoptik reicht das dicke. Stark gewölbte Oberflächen müssen sowieso einzeln bearbeitet werden, Linsen mit großem Durchmesser genauso.

Gruß Josef

Uwe Hercksen schrieb:

Eua, nebeneinander auf einer Ebene da die Linsen ohnehin nicht gekippt werden können werden zuminsest viele nebeneinander auf je einem Schleifkörper bearbeitet.

Prinzipiell hast du aber recht, dass bei sphärischen Linsen viele in eine Gemeinsame Kugel gebracht werden können ist nur eine weitere Einsparungsmöglichkeit ;o))

bye uwe