Asphärische Optik

Unter einer asphärischen Optik versteht man ein optisches System aus Linsen oder Spiegeln, das mindestens eine Fläche (brechende Linsenoberfläche oder Spiegelfläche) enthält, die von der Kugelform abweicht. Durch eine asphärische (= nicht kugelförmige) Fläche hat man bessere Möglichkeiten zur Korrektur der Abbildungsfehler, da man die Fläche weitgehend frei formen kann. Speziell kann man die sphärische Aberration völlig korrigieren. Jedoch ist die Fertigung einer Asphäre (= Linse oder Spiegel mit asphärischer Fläche) oft wesentlich teurer als die eines sphärischen Elements.

Anwendungsfälle

• asphärische Kondensorlinsen werden zur Lichtbündelung in Projektoren und Scheinwerfern eingesetzt und ermöglichen hier eine höhere Lichtausbeute, da die Apertur vergrößert werden kann, ohne dass die sphärische Aberration stört.

• Asphärische Brillengläser: durch die Abweichung von der Kugelform lassen sich flachere, dünnere, leichtere und optisch bessere Brillengläser, insbesondere für Weitsichtige (Hyperope), herstellen. Moderne Korrektionsgläser für Alterssichtige (Presbyope), die so genannten Gleitsichtgläser, haben mindestens eine Fläche, die als Freiformfläche ohne jede Symmetrie ausgebildet ist.

• Hochwertige Okulare, insbesondere Weitwinkelokulare von Fernrohren und Ferngläsern mit Bildwinkeln bis zu 70°, bestehen aus bis zu 8 teils miteinander verkitteten Linsen, und werden manchmal mit einer asphärischen Fläche versehen.

• Zoom-(Vario-)Optiken mit variabler Brennweite, z. B. Fotoobjektive. Diese sind umso schwerer zu berechnen und herzustellen, je größer ihr Brennweitenbereich ist, denn die Korrektion der Abbildungsfehler muss als Kompromiss für alle einstellbaren Brennweiten erfolgen. Solche Systeme haben deshalb oft viele Linsen, teils mehr als 15, und sie können zum Teil nur durch Asphären mit akzeptablen Abbildungsfehlern verwirklicht werden. Es kann auch für einfachere Objektive ökonomisch sinnvoll sein, Asphären einzusetzen, da sich diese durch Abformen (siehe weiter unten) relativ preisgünstig herstellen lassen, und man damit entsprechend weniger Linsen braucht, um die Fehler ausreichend zu korrigieren.

• Fotoobjektive mit hoher Lichtstärke oder Weitwinkelobjektive mit besonders großem Bildwinkel. Wenn man die Apertur oder den Bildwinkel der Objektive sehr groß macht, wachsen die Abbildungsfehler stark an und erfordern einen hohen Korrektionsaufwand. Asphärische Flächen sind dabei hilfreich, um die Fehler gut zu korrigieren und zugleich die Linsenzahl sowie Größe und Gewicht des Objektivs nicht übermäßig anwachsen zu lassen.

• Hauptspiegel und Sekundärspiegel vieler Spiegelteleskope haben eine asphärische Form.

• die asphärische Korrekturplatte des Schmidt-Teleskops. Sie beseitigt die sphärische Aberration des Hauptspiegels fast vollständig, welche sonst das Auflösungsvermögen bzw. das Bildfeld mindert.

• bei Außen-Rückspiegeln von KFZ kommen immer häufiger asphärische Spiegel zum Einsatz. Sie haben den Zweck, den Blickwinkel zu vergrößern, ohne dass das Bild im ebenen Hauptbereich des Spiegels verkleinert oder verzerrt wird, denn dadurch könnte man den Abstand zu anderen Verkehrsteilnehmern, die man im Spiegel sieht, nur schlecht einschätzen. Diese Spiegel tragen eine Linienmarkierung, um den Geometrieübergang (zwischen ebenem und gewölbtem Bereich) kenntlich zu machen.

• Fokussierlinsen für Diodenlaserstrahlung können asphärisch sein, um die großen Aperturen zu bewältigen. Eine Alternative sind Gradientenlinsen.

• Spiegel zur Fokussierung von Kohlendioxidlasern und Mikrowellen (Radioteleskope, Satellitenschüsseln, Hornantennen) sowie in Autoscheinwerfern sind Rotationsparaboloide.

Herstellung

Die Herstellung von Asphärischen Oberflächen kann durch eine Reihe von Verfahren erfolgen:

CNC-Schleifmaschinen

Schleifen ist das älteste, aber auch aufwändigste Verfahren, um asphärische Glaslinsen herzustellen. Schon mehrere Jahrzehnte gibt es Fotoobjektive mit solchen Linsen, aber bis zur Serienreife von Abformverfahren waren sie auf besonders hochwertige und teure Objektive beschränkt. ^{[1] [2]}

Abformung

Dieses für Serienfertigung kostengünstige Verfahren wird häufig für Kamera-, Kondensorlinsen sowie für Laser Pick-Up-Optiken bspw. in DVD-Playern eingesetzt ^[3]. Des Weiteren werden die Verfahren für einfache Parabol- und Ellipsoidspiegel für Scheinwerfer verwendet, aber auch die Anwendung zur Herstellung großer abbildenden Spiegel wird untersucht ^[4][5].

Asphärische Linsen aus Kunststoff können durch Abformen sehr preisgünstig hergestellt werden. Für Fotoobjektive ist jedoch ihre Formgenauigkeit und Konstanz ihrer Eigenschaften nicht gut genug. Dafür verwendet man zwei Verfahren: entweder wird eine Glaslinse direkt mit einer abgeformten asphärischen Oberfläche hergestellt, oder man presst auf eine sphärische Glaslinse eine Kunststoffschicht mit asphärischer Oberfläche auf. Das erste erfüllt höhere Anforderungen an die Qualität der Linse.

Magnetorheologisches Finishing

Hauptartikel: Magnetorheologisches Finishing

^[6]

Ion-Beam Figuring

Auch Ion-Milling ^[7]

Mechanische Spannung

Die Optik kann während des Schleifen durch Krafteinwirkung verformt werden; sie wird dann sphärisch geschliffen. Die sphärische Fläche entformt sich nach lösen der Verspannung und ergibt so die Asphäre. Ein Beispiel hierfür ist die Schmidt-Platte, diese wird durch einen Unterdruck verformt und dann auf einer Seite plan geschliffen.

Alternativ kann eine sphärische Fläche durch Krafteinwirkung zu einer Asphäre verformt werden.^[8][9]

Referenzen

1. ↑ Homepage der Fa. Precitec, auf der verschiedene Diamantschleifmaschinen vorgestellt werden
2. ↑ Wissenschaftliche Publikationen der Fa. Zeeko über CNC-Schleifverfahren
3. ↑ Übersicht der Fa. Schott über gepresste asphärische Linsen
4. ↑ Abformung von 40 cm und 100 cm Carbonspiegeln für Teleskope
5. ↑ Eigenschaften eines durch Abformung hergestellten Carbonspiegels mit 0,9 m Durchmesser
6. ↑ Vorstellung des MRF-Verfahren und -Maschinen der Fa. QED Technologies
7. ↑ Übersicht über IBF/IBM der Fa. Aries zur Bearbeitung von Spiegeloberflächen
8. ↑ G. R. Lemaitre: A Three Reflection Sky Survey at Dome-C with active optics modified-Rumsey telescope (en)
9. ↑ Übergang von sphärischen zu paraboloiden Spiegeln, „Kelly's Method“ (engl.)

Siehe auch

Optik, Auflösungsvermögen, Linsenfernrohr, Verzeichnung, Fotografie, Schmidt-Teleskop, Palomar Sky Survey, Carl Zeiss