T.1 Optische Teleskope

T.1.1.1.3. Linsenherstellung

Es würde den Rahmen dieser Präsentation sprengen, wollte man das Glasmixen und alle einzelnen Produktionsschritte von der Masse bis zum erkalteten Rohling hier ausführlich abhandeln wollen. Dafür ist die Anzahl von Glassorten, die speziell für den gewünschten Anwendungsbereich aber auch die vorausgehende Be- und Verarbeitung konzipiert werden, und die Menge der Herstellungsprozesse einfach zu groß.

Es sei nur gesagt, dass für den astronomischen Gebrauch Linsen und andere optische Bauteile qualitativ besonders hochwertig ausgeführt sein müssen. Diese Vorgabe kann zwar durch eine Fülle von Spezialverfahren annähernd erreicht werden, jedoch setzt das Material auch natürliche Grenzen.

a) Die natürlichen Grenzen des Glases

Ab einem bestimmten Durchmesser kann eine Linse nicht mehr sinnvoll in einem optischen Teleskop eingesetzt werden, da sich der Glaskörper unter seinem eigenen Gewicht verformt. Dies führt letztlich zu Unschärfen bei der Abbildung astronomischer Objekte, da die Linsengeometrie im Strahlengang nicht mehr stimmt. Außerdem absorbiert ein Glaskörper mit zunehmender Dicke auch immer mehr Licht, das dann nicht mehr für die Abbildung eines Objektes zur Verfügung steht.

Bei Linsensystemen führt zudem die Verwendung verschiedener Glassorten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu nicht zu vernachlässigenden mechanischen Spannungen. Bei großen Temperaturschwankungen hat diese Abbildungsverzerrungen zur Folge, da sich die im Idealfall festen geometrischen Beziehungen zwischen den Einzelbestandteilen eines Teleskops ändern.

Das bereits im Jahre 1900 für die Pariser Weltausstellung gebaute Teleskop mit einer Linse von 1,25 m Durchmesser und einer Brennweite von 49 m ist daher bis heute der größte jemals gebaute Refraktor. Er lieferte aufgrund von Qualitätsmängeln nur schlechte Resultate und wurde bald wieder abgebaut. Selbst das im Jahre 2002 zur Sonnenbeobachtung auf La Palma gebaute "Swedish Solar Telescope" besitzt einen Linsendurchmesser von "nur" 1 m trotz adaptiver Optik und 100 Jahren mehr Erfahrung in den Materialwissenschaften und beim Bau von Großteleskopen.

b) Pressen, Gießen, Biegen

Figur GLP: Linsenpresse (aus DE 397 427 A).

Linsen werden durch Pressen, Gießen oder durch Biegen gewalzter Glaskörper hergestellt. Beispiele für das Pressen von Linsen sind etwa DE 397 427 A (Figur GPF), DE 466 201 A (Figur GLP) oder DE 704 252 A zu entnehmen.

Für das Pressen einer Rohglasmasse ist es entscheidend, die optimale Temperatur abzupassen und zwei Stempel mit der gewünschten Geometrie der zu pressenden Linse zu versehen. Die Detailansicht einer noch handbetriebenen Presse aus dem Jahre 1919 (Figur GPF) zeigt die wesentlichen Bestandteile im Befüllungs- (links) und im Kompressionszustand (rechts): Die Formteile (4,6), oft auch "Ober-" und "Untergelenk" genannt, und die Druckstange (16), die von oben über Hebel auf die eingeführte Glasmasse wirkt (gepunkteter Bereich im rechten Figurteil).

Figur GPF: Linsenproduktionsstraße (aus DE 466 201 A).

Eine ganze Linsenproduktionsstraße zeigt die Figur GLP: Sie umfasst einen Wärmeofen (1) mit Schamottdrehscheiben (6,7), in dem sich die Linsenrohlinge befinden, einem anschließenden Presswerk mit ausgeklügelter Hebel- und Greifertechnik für den Produktionsprozess (28,35,41-43,49), einem drehbarem Tisch (15), einem kurbelwellenbetriebenen (22,30-33) Pressstempel (34), einem Transportband (52) für die gepressten Linsen und einem Kühlkanal (53), in dem diese langsam heruntergekühlt werden, bis sie in einen Auffangbehälter (58) gelangen.

Das Gießen von Linsen ist ebenfalls weit verbreitet, jedoch birgt es einige Risiken in sich, denn das Glas bleibt beim Erkalten in der Gussform, schrumpft und verändert somit seine Geometrie. Die DE 41 02 059 A1 beschäftigt sich mit diesem Problem und schlägt die Verwendung spezieller Gussformteile vor, die mit dem Ausbilden von "Glas-Widerhaken" in den Randbereichen der gegossenen Linse einhergehen.

Auch die Schwerkraft kann zur Erzeugung spezieller Linsenformen eingesetzt werden. Diese Technik setzt das Erhitzen eines Glaskörpers bis hin zu einer Grenztemperatur voraus, die für eine zur Verformung nötige Viskosität sorgt. Anschließend erfolgt gravitativ eine Anpassung des Glases an einen Formkörper. Beispiele hierfür finden sich in DE 15 96 649 C und US 3 693 301 A.

Zitierte Patentdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
DE 397 427 A	1919	Presse zur Herstellung von Linsen, Prismen oder anderen massiven Körpern
DE 466 201 A	1927	Selbsttätige Einrichtung zur Herstellung von Linsen oder ähnlichen Gegenständen aus Glas
DE 704 252 A	1939	Verfahren zum Herstellen schlierenfreier optischer Glaskörper
DE 15 96 649 C	1965	Verfahren zur Herstellung komplexer, einstückiger, optischer Linsen
US 3 693 301 A	1971	Method for producing optical elements with aspherical surfaces
DE 41 02 059 A1	1991	Gußform zur Verwendung bei der Herstellung von Linsen

Ergänzungsdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
DD 95 919 A5	1971	Verfahren zur Herstellung optischer Linsen aus Glas sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE 28 06 388 A1	1978	Pressstempelhälfte zur Herstellung von Linsen
DE 10 2005 050 087 A1	2005	Formstation zur Herstellung optischer Bauteile
DE 10 2006 059 775 A1	2006	Beschichtung für Formwerkzeuge

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