Optische Linsen: ein Leitfaden

Die optische Linse ist die geläufigste optische Komponente und in sehr vielen Anwendungen zu finden. In diesem Leitfaden werden verschiedenen Arten von optischen Linsen, ihre Herstellungsverfahren und ihre verschiedenen Anwendungen vorgestellt.

Was ist eine optische Linse?

Eine optische Linse ist ein passives optisches Bauteil, das für verschiedene Wellenlängen im optischen Bereich (vom tiefen UV bis zum fernen IR) durchlässig sein kann. Sie hat Eigenschaften, den Weg des Lichts durch Konvergenz oder Beugung des zu verändert.

Die meisten optischen Linsen bestehen aus optischem Glas (von großen Herstellern wie Schott, Corning, Ohara oder CDGM), können aber auch aus Metall (Germanium) oder anderen Materialien (Keramik, Silizium, Zinkselenid, Saphir, Polymeren usw.) hergestellt werden.

Die Qualität einer optischen Linse wird durch ihre Formähnlichkeit zu einer bestimmten Sollform, und durch die Qualität ihrer Politur bestimmt.

Herstellungsprozess einer optischen Linse

Es gibt drei Hauptverfahren zur Herstellung einer optischen Linse:

Herstellung von optischen Linsen per Spritzguss

Zunächst wird das Material der Linse wird in Vorformen mit bestimmten Abmessungen geschnitten, anschließend erhitzt und dann in die Gussform gepresst. Nach dem Entformen erfolgt die Endbearbeitung, welche z. B. das Schleifen der Kanten oder das abschließende Polieren der Linse beinhalten kann. Die notwendige Endbearbeitung ist abhängig von den Qualitätsanforderungen an die Linse und der Qualität der Gussform.

Herstellung von optischen Linsen per Fräsen und Polieren

Das Verfahren, das auch als Kaltbearbeitung bezeichnet wird, besteht aus dem Abtragen von Material durch mechanische Reibung von Schleif- oder Polierpads, einschließlich harter Schleifkörner.

Der Prozess dauert in der Regel einige Stunden und kann halb- oder teilautomatisiert sein. Die Polierpads werden während des Prozesses mehrmals gewechselt, wobei die Körnung zunehmend feiner wird, bis eine gewünschte Qualität erreicht ist. Je höher die Anforderungen an die Polierqualität sind, desto länger dauert das Polieren der Linse.

Herstellung von optischen Linsen per Diamantdrehen

Diamantdrehen als Herstellungsverfahren wird in der Regel für die Produktion komplexer Linsen-Formen verwendet. Nach Fertigstellung ist keine weitere Politur erforderlich.

Die Ausrüstung des Verfahrens ist vergleichbar mit einem CNC-Bearbeitungszentrum, in dem die Linsen einzeln hergestellt werden.

Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Herstellungsverfahren

Herstellungsverfahren	Vorteil	Nachteil
Spritzguss	Niedrige Stückkosten für große Mengen	Nicht geeignet für kleine Mengen, Beschränkung in Größe und Material (niedriger Schmelzpunkt notwendig)
Fräsen und Polieren	Mehrere Linsen können zusammen hergestellt werden, robuste und kostengünstige Fertigungsanlagen.	Hohe Bearbeitungszeit, ungeeignet bei großen Mengen
Diamantdrehen	Sehr gute optische Qualität	Teuer (moderne Ausrüstung notwendig, Produktion stückweise)

Beschichtung und Endbearbeitung von optischen Linsen

Um die optischen Eigenschaften einer Linse zu verbessern, können optische Beschichtungen genutzt werden. Optische Beschichtungen werden durch dünne Schichten aus Metall oder chemischen Elementen realisiert.

So kann eine optische Beschichtung beispielsweise die Reflexion von Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich verringern, was als AR-Beschichtungen (Anti Reflection) bezeichnet wird.

Arten von optischen Linsen

Optische Linsen werden in verschiedenen Formen realisiert, die verschiedene Eigenschaften mit sich bringen und in verschiedenen Bereichen angewendet werden.

Art der Linse	Form	Anwendung
Plano-Konvex	Eine Seite flach, andere Seite konvex	Fokussierung des Lichts auf einen Punkt, oder Vergrößerung eines Bildes
Plano-Konkav	Eine Seite flach, andere Seite konkav	Fokussierung des Lichts auf einen Punkt, oder Vergrößerung eines Bildes
Bikonkav/Bikonvex	Beide Seiten konkav/konvex	Fokussierung des Lichts auf einen Punkt, oder Vergrößerung eines Bildes
Meniskus Linse	Eine Seite konvex, andere Seite konkav	Fokussierung des Lichts auf einen Punkt, oder Vergrößerung eines Bildes
Asphärische Linse	Form, die durch einen Mittelpunkt und einen sich ändernden Krümmungsradius definiert ist	Bessere Abbildung (weniger sphärische Aberrationen)
Zylinderlinse	Form, die durch eine Mittelachse und einen konstanten Krümmungsradius entlang dieser Achse definiert ist	Fokussierung des Lichts auf eine Linie
Torische Linse	hat in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen zwei unterschiedliche Brechwerte	für die Simulation der Augenhornhaut verwendet
Achromatische Linse	Doublet- oder Triplets-Linse: zwei oder drei komplementäre Linsen, die zusammengeklebt werden	zum Ausgleich von Aberrationen (unterschiedliche Brechung abhängig von Wellenlänge)

Design einer optischen Linse

Das Design optischer Linsen kann mit spezieller Software erfolgen, von denen Zemax die bekannteste ist. Dies erfordert in der Regel einen Optikdesigner mit fundierten Kenntnissen über optische Materialien, optische Formen und Einschränkungen bei der Herstellung von Optiken.

Da die Spezifikationen optischer Linsen komplex sind, empfehlen wir, sie nach der Norm ISO10110 zu entwerfen, um schnellere und genauere Angebote zu erhalten.

Anwendungen von optischen Linsen

Optische Linsen finden in vielen unterschiedlichen Bereichen Anwendung:

• Astronomie (Teleskope)
• Elektronische Geräte (Mobiltelefone)
• Sicherheit (CCTV-Kameras)
• Verteidigung (Zielsysteme)
• Computer Vision (Produktionsüberwachung oder Qualitätskontrolle)
• Verkehr (LIDAR-Systeme)
• Andere photonische Anwendungen

Kosten für optische Linsen

Die Kosten von optischen Linsen hängen von verschiedenen Faktoren ab:

• Rohmaterial
• Menge (die Herstellung optischer Linsen ist zeitaufwändig, aber einige Prozesse können parallel durchgeführt werden, was bedeutet, dass höhere Stückzahlen zu einer erheblichen Preissenkung führen können)
• Art und Form
• Optische Spezifikationen. Je höher die optischen Anforderungen, desto höher der Preis, der Preisanstieg kann exponentiell sein für nur eine kleine Verbesserung einer optischen Eigenschaft.
• Beschichtung
• Größe: Optiken in Übergröße und Mikrooptiken erfordern besondere Aufmerksamkeit und Werkzeuge und sind daher wesentlich kostspieliger als Optiken in Standardgröße (im Zentimeterbereich).