Schmelzrechnung für höchste Bildqualität bei Objektiven

Die Entwicklung von Objektiven für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen erfordert modernste Technologien und fundiertes Fachwissen, um die physikalischen Grenzen so weit wie möglich auszureizen. Die Schmelzrechnung – ein von Entwicklern angewandtes Verfahren – berücksichtigt die echten optischen Eigenschaften der verbauten Glasmaterialien, die durch die Herstellung des Glases vom Soll abweichen. Dabei wird das optische Design genau auf die vorhandenen Glaseigenschaften abgestimmt. Dieser Ansatz ermöglicht eine außerordentlich hohe Bildqualität.

Ob in der Unterhaltungselektronik, der Industrie oder der Wissenschaft – bei der Bilderfassung ist die optische Bildqualität der entscheidende Faktor. Zwar lassen sich bestimmte Bildfehler wie z.B. Vignettierung oder Verzeichnung mit softwarebasierten Korrekturen kompensieren, doch führt dies zu systematischen Einschränkungen, wie einem erhöhten Bildrauschen oder einer reduzierten Auflösung, die gerade für messtechnische Anwendungen oft ein Ausschlusskriterium sind, da diese das zu detektierende Eingangssignal verfälschen. So sind anspruchsvolle Bildverarbeitungssysteme auf Hochleistungsobjektive angewiesen.

Fertigungstoleranzen – Abweichungen vom nominellen optischen Design

Das Design und die Fertigung von Linsen, Objektiven und optischen Systemen, haben über die Jahre viele Innovationen und unzählige iterative Verbesserungen gesehen. Damit lässt sich heute ein hohes Maß an Präzision und Genauigkeit in allen beteiligten Teildisziplinen erreichen.

Dennoch bleibt jedes gefertigte Maß toleranzbehaftet – auch wenn die Abweichungen mithin sehr gering ausfallen. Bei der Fertigung von Linsen gibt es für das optische Design Fertigungsfehler, die relevanter sind als andere. Es sind: Abweichungen im Krümmungsradius, Abweichungen in der Linsendicke und die Flächenverkippungen zueinander.

Die Geometrie einer Linse ist jedoch nicht die einzige Fehlerquelle, die einen negativen Einfluss auf die Bildqualität hat. So werden die gewünschten optischen Eigenschaften des Glasmaterials in der Herstellung nie exakt getroffen. So variieren Brechzahl und Abbe-Zahl von Charge zu Charge und weichen von der Kataloglage ab.

In den meisten Anwendungsfällen sind diese Abweichungen über die normale Toleranzbetrachtung eingepreist und über den Einkauf von verschiedenen Qualitätsstufen der Gläser handhabbar. Optische Systeme die jedoch höhere Anforderungen haben und beispielsweise beugungsbegrenzt sein sollen, können jedoch immer noch empfindlich auf die Schwankungen in den Glaseigenschaften reagieren – auch wenn die höchste verfügbare Qualitätsstufe verwendet wird. Konkrete Beispiele, bei denen dies der Fall ist, finden sich in den Bereichen der medizinischen Bildgebung, der Halbleiterinspektion mit Mikroskopen oder auch bei hochauflösenden Luftbildanwendungen.

Eine weitere kritische Anwendung, bei der die Glaseigenschaften eine wichtige Rolle spielen, ist die hyperspektrale Bildgebung, bei der verschiedene Bilder mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommen werden. Hier führen selbst geringste Abweichungen in der Vergrößerung oder der Fokuslage für die verschiedenen Farben, zu einer Unschärfe und damit zu einer reduzierten Messgenauigkeit.

Wenn Standardtoleranzen nicht mehr ausreichen

Zum vom Glashersteller gelieferten Glas gehört auch ein messtechnischer Nachweis, der bestätigt, dass die gelieferten optischen Eigenschaften, innerhalb der erwarteten Toleranzen liegen – je nachdem welche Qualitätsstufe eines Glases verwendet wird. Da Glas durch das Zusammenschmelzen von verschiedenen Materialien hergestellt wird, und jede Charge eines Glases immer ein leicht anderes Gemisch ist, spricht man umgangssprachlich bei einer Charge eines Glases von einer Schmelze.

Um den negativen Einfluss der Glastoleranzen beherrschbar zu machen, können in der Design-Phase eines optischen Systems verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Ein Prinzip ist, das optische Design so auszulegen, dass ein näherungsweises symmetrisches Design vorliegt, wobei die Blende dann die Symmetrie-Achse ist. Werden nun ähnliche Linsen vor- und nach der Blende genutzt, können sich die Glastoleranzen derart vorteilhaft gegenseitig kompensieren, dass die Abweichungen in den Glaseigenschaften nur gering ins Gewicht fallen. Bei einem symmetrischen Design kann so auch hinterher eine Schmelzauswahl getroffen werden.

Ein anderes, aufwendigeres Vorgehen ist die echte Schmelzrechnung. Sollte es nicht ausreichen, die Zielspezifikation mit einer Auswahl an Schmelzen zu erreichen, kann auch eine echte Schmelzrechnung durchgeführt werden. Bei dieser wird das optische und auch das mechanische Design [der Fassungen z.B.] dann auch grundlegend an die verfügbaren Schmelzen angepasst. Dabei werden die tatsächlichen Eigenschaften der Glascharge gemessen. Krümmungsradien, Linsendicken oder auch Luftabstände und entsprechend auch die Mechanik, die die einzelnen Linsen an Ort und Stelle hält, werden anschließend diesen tatsächlichen Werten angepasst.

Da Hochleistungsobjektive meist auch kompliziert aufgebaut sind, ist die Schmelzrechnung keine einfache Aufgabenstellung, die schnell gemacht ist und automatisiert erfolgen kann. Sie setzt ein hohes Maß an Erfahrung und Fachwissen im Bereich der Optik und die Verwendung von Spezialsoftware voraus.

Zudem erfordert dieses Vorgehen einen engen Kontakt zwischen den Entwicklern des optischen Systems und der Messtechnik des Glaslieferanten, da hier hochpräzise Messungen erforderlich sind, um die hohe Qualität des Endprodukts sicherzustellen.

Mehr als die Nullserie: Konsistente Bildqualität über die Serienproduktion

Dank modernster Technologien können Hersteller von Präzisionsoptiken wie Excelitas bereits mit herkömmlichen Design- und Fertigungsverfahren eine hohe Fertigungspräzision und -genauigkeit erreichen. Wenn Anwendungen an die Grenzen des konventionell Machbaren stoßen, erweitert die Schmelzrechnung nun nochmals die Möglichkeiten, um eine noch höhere Bildqualität zu erreichen, und die spezifizierten Anforderungen zu erfüllen.

Bei einem optischen System, das über mehrere Jahre in Serie produziert wird, werden die geometrischen Abweichungen eines Werkstücks statistisch verteilt sein. Nun kann ein systematischer Fehler bei Verwendung verschiedener Schmelzen eingeführt werden, wenn die optischen Eigenschaften chargenübergreifend zu stark voneinander abweichen. Wird das optische Design jedoch schmelzgeführt – und das Design kontinuierlich an die verbauten Glaseigenschaften angepasst – lässt sich damit eine konsistent hohe Serienqualität gewährleisten.

In diesem Sinne ist das Vorgehen nicht nur für Hochleistungsobjektive nützlich, mit denen an der Grenze des physikalisch Machbaren gearbeitet wird, sondern kann auch dazu genutzt werden, eine reproduzierbare Leistung von Standardobjektiven in Serie sicherzustellen.