Asphärische Linsen: ein Leitfaden
Durch die Verbesserung von Produktionstechniken sind komplexe asphärische Linsen verfügbarer und weiter verbreitet als je zuvor.
In diesem Leitfaden wird auf die Vorteile von asphärischen Linsen, so wie deren Herstellung eingegangen.
Was ist eine Asphärische Linse?
Eine asphärische Linse ist, im Gegensatz zu einer sphärischen Linse, eine Linse, deren Form von einer Sphäre abweicht.
Diese nicht sphärische Linse verfügt über mindestens eine optische Fläche, die nach der folgenden konischen Gleichung definiert wird.
Z steht für die Oberfläche (SAG) der Linse
R ist der Krümmungsradius
K ist die konische Konstante
Ax: Asphärischer Koeffizient der x-ten Ordnung (kann Null sein)
Vorteile von Asphärischen Linsen
Sphärische Linsen lassen sich leicht herstellen, aber schon früh haben Optiker festgestellt, dass die Verwendung dieser Linsen zu Abbildungsfehlern, der sogenannten sphärischen Aberration, führt. Um diese Aberration zu kompensieren, kann man Doubletten oder komplexe Linsensysteme verwenden, die durch das Zusammenfügen mehrerer Linsen realisiert werden. Diese sind jedoch kostspielig, fordern mehr Platz und haben ein höheres Gewicht.
Die andere Lösung zur Beseitigung der sphärischen Aberration besteht darin, die Form des Objektivs so zu gestalten, dass sie vermieden wird. Die Herstellung von Asphären ist komplizierter, aber mit der jüngsten (in den letzten 20 Jahren erfolgten) Digitalisierung der Produktions- und Prüfanlagen ist sie einfacher und billiger geworden.
Wie werden Asphärische Linsen hergestellt?
Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren für asphärische Linsen.
| Herstellungsverfahren | Beschreibung | Details |
| Präzisionsspritzguss | Das Rohmaterial wird zunächst mehrere Minuten lang bei hoher Temperatur (400 bis 650 °C) in der Metallmatrix gepresst. Dann erfolgt eine kontrollierte Abkühlung und das Entformen ohne weiteres Polieren. | – Geeignet für große Mengen – Kosten für Gussform – Begrenzte Anzahl an Materialien – Auswirkungen auf den Glasindex, der während des Prozesses abnimmt – Begrenztes Dickenverhältnis – Außendurchmesser begrenzt auf 35 mm |
| Diamantdrehen | Die Oberfläche der Linse wird mit einem Diamantkopf bearbeitet. | – keine weitere Politur erforderlich – zeitintensiv – Kann räumliche Frequenzmuster auf der Oberfläche hinterlassen – kann auch für die Fertiung von Kunststofflinsen genutzt werden |
| CNC (Computer Numerically Control) | Schleifen (mit Ring- oder Scheibenwerkzeugen) und Polieren (mit kleinen Polierpads). | – Zeitaufwendig, da die Schleifwerkzeuge vom Grobschleifen zum Feinpolieren gewechselt werden müssen. Schleifen und Polieren CNC sind in der Regel 2 verschiedene Maschinen. – Kann sehr präzise sein, besser als Lambda/10 in der Oberflächengenauigkeit. – Begrenzung auf konvexe Krümmungsradien aufgrund der begrenzten Werkzeuggröße |
| MRF (magneto-rheological finishing) | Spezielle Poliermethode, die nach dem CNC-Schleifen eingesetzt wird. Die Viskosität des Poliermediums wird mit einem Magnetfeld gesteuert, was ein individuelles Polieren ermöglicht. | Bessere Präzision als beim normalen Polieren. |
Wie werden Asphären ausgemessen?
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Oberflächengenauigkeit einer Asphäre, die sich in Kontaktmessungen mit Messtastern und berührungslose Messungen mit Interferometern und Zubehör unterteilen lassen.
| Messverfahren | Vorteile | Nachteile |
| CMM (dreidimensionale Messung) | – Kann in 3D messen – Kann große Linsen messen – Günstig |
– Geringe Genauigkeit – Kann die Rauheit nicht messen – Punktueller Kontakt mit der Linsenoberfläche |
| Profilometer | – Präziser als CMM und Rauheitsmessung – Schnell – Günstig |
– Nur 2D-Messung an einem Durchmesser der Linse – Ständiges Berühren der Oberfläche mit der Sonde kann die Oberflächenqualität beeinträchtigen |
| Messverfahren | Vorteil | Nachteil |
| Subaperture Stiching Interferometry | – Kann bei straken Winkeländerungen verwendet werden – Sehr hohe Präzision |
– Lange Messzeit – Teuer |
| CGH (Computer Generated Hologram) | – Hohe Präzision – Vollständiges Bild der Oberfläche |
– Teuer – Lange Vorlaufzeit |
| Spherical Null lens | – Leichtere Einrichtung aufgrund der Ähnlichkeit mit der sphärischen Interferometrie | – Begrenzt auf Asphären mit leichter Abweichung der sphärischen Form |
| Verifire (Zygo) | – Hohe Präzision | – Beschränkung auf bestimmte Formen von Asphären |
Unterschied zwischen Sphärischen- und Asphärischen Linse?
Der Unterschied zwischen den beiden Linsen liegt in ihrer Form. Während die Form einer sphärischen Linse durch einen virtuellen Mittelpunkt und einen festen Krümmungsradius definiert werden kann, wird die Form einer asphärischen Linse durch einen virtuellen Mittelpunkt, jedoch mit unterschiedlichen Werten für den Krümmungsradius je nach ihrem relativen Winkel definiert.
Für einen einfachen Bildvergleich kann eine sphärische Linse als ein Schnitt einer Kugel betrachtet werden, während eine asphärische Linse durch komplexere Formen, z. B. konisch oder elliptisch, definiert werden kann.
