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Ratgeber Glas als Werkstoff

Vor 125 Jahren gelang es dem Chemiker Otto Schott erstmals, die optischen Eigenschaften von Glas zu variieren, und dem Physiker Ernst Abbe, mit Spezialglas ein hochleistungsfähiges Mikroskop zu bauen. Damit legten sie den Grundstein für die gezielte Glasentwicklung, die auch heute noch wesentlich zur stetig steigenden Fotoqualität beiträgt.

Für viele ist ein Glas wie das andere: meist transparent, zerbrechlich und an frischen Bruchkanten schneidend scharf. Doch die Kataloge der Glashersteller Schott und Hoya enthalten über 100 Glassorten für optische Systeme, jeder einzelne Glastyp mit ganz speziellen Eigenschaften. Keine Sorte zuviel, meinen Objektivkonstrukteure, und kombinieren oft innerhalb eines Objektivs neun und mehr Glastypen. Sie gleichen dadurch nicht nur typische Bildfehler wie Farbsäume und Verzeichnung aus. Sie heben durch die passende Glaswahl auch Lichtstärke, Auflösungsvermögen und Kontrast an.

Rohglas: Die Hersteller liefern das Glas oft in Blöcken oder Barren aus.

Die amorphe, also nicht kristalline, anorganische erstarrte Glasschmelze besteht in der Regel aus einer bunten Mischung verschiedener chemischer Bestandteile. Zu den klassischen Grundbausteinen zählt vor allem Siliziumdioxid (Quarzsand), ein Glasbildner, der das Kristallisieren beim Abkühlen der Schmelze verhindert. Bei modernen optischen Gläsern spielt Quarzsand jedoch nur noch eine untergeordnete Rolle. Teils enthalten sie sogar nur andere Glasbildner, etwa Boroxid, Aluminiumoxid, Phosphoroxid oder Fluor. Durch die chemische Zusammensetzung und Konzen-tration der einzelnen Bestandteile lassen sich die Glaseigenschaften genau und reproduzierbar verändern, etwa Brechzahl, Dispersion, Transmission und thermische Ausdehnung. Viele Borsilikatgläser mit Bariumoxid-Anteil ermöglichen beispielsweise, dank ihrer außergewöhnlichen optischen Eigenschaften, eine gute Korrektur von Farbfehlern. Und mit Gläsern, die Oxide von seltenen Erden wie Lanthanoxid beinhalten, lassen sich Objektive mit großer Lichtstärke, hohem Auflösungsvermögen und gutem Kontrast bauen. Da Bleioxid unter anderem die Transmissionscharakteristik des Glastyps positiv beeinflusst, war es lange Zeit nicht aus der optischen Glasentwicklung wegzudenken. Aufgrund verschärfter Umweltvorschriften sucht die Glasbranche aber seit mittlerweile über zehn Jahren nach Alternativen. Das Resultat: moderne „Ökogläser" wie die N- und P-Serie von Schott, bei denen Nioboxid und Titan-oxid das Bleioxid ersetzen.

Neben der chemischen Zusammensetzung ist auch die Glasschmelze eine Wissenschaft für sich. Schließlich dürfen im optischen Glas so gut wie keine Schlieren, Einschlüsse und Blasen auftreten. Der Abkühlprozess wirkt sich zudem entscheidend auf die optischen Eigenschaften des Glases aus und will daher exakt auf den späteren Einsatzzweck angepasst sein. Zunächst liegen die chemischen Glasbestandteile als Pulver, selten auch als Scherben vor. Gut durchmischt werden sie unter großer Hitze zum Schmelzen gebracht – bei den meisten Glassorten reicht hierfür eine Temperatur zwischen 900 und 1500 °C. Der Glashersteller hält das geschmolzene Gemisch dann einige Stunden lang auf hoher Temperatur, damit gasförmige Bestandteile aufsteigen und sich die Schmelze gut durchmischt. Um eine noch bessere Homogenität zu erreichen, kommen bei optischem Glas zusätzlich Rührer zum Einsatz. Während des Abkühlens nimmt die Viskosität der Schmelze schnell zu, bis sie sich als zähflüssige Masse in Formen gießen und pressen oder zu Stangen ziehen lässt. In einem Ofen kühlt das Glas dann langsam ab. Der Glashersteller muss diesen Vorgang sehr exakt kontrollieren: Die Glastemperatur darf keinesfalls schneller als wenige Grad pro Stunde sinken, da sonst die Homogenität leidet und Spannungen entstehen, die störende Doppelbrechung hervorrufen. Wird das Glas dagegen zu lange auf bestimmten Temperaturen gehalten, können sich bei manchen Glassorten partiell Kristalle bilden, die das Licht unerwünscht streuen.

Glasrohlinge: Sie lassen sich in der Blankpresse erwärmen und so direkt zu asphärischen Linsen formen – ohne Schleifen und Polieren.

Der Weg vom Glasrohling zur fertigen Linse mit makelloser Oberfläche führt heutzutage oft noch über das Schleifen und Polieren mittels computergesteuerter CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control). Vor allem in der Consumer-Optik hat sich allerdings das Blankpressverfahren etabliert, weil es eine kostengünstige, wirtschaftliche Massenproduktion erlaubt. Beim Blankpressverfahren werden vorbereitete Rohlinge direkt in der Presse erwärmt und bei Temperaturen knapp oberhalb der Transformationstemperatur TG in die Endform gebracht – so präzise, dass die hohe Oberflächenqualität der Vorformen erhalten bleibt und sich das Nachbearbeiten der Linse erübrigt. Allerdings lassen sich nicht alle Glassorten auf diese Weise weiterverarbeiten. Denn TG darf hier die 550-Grad-Celsius-Marke nicht überschreiten. Einige weiche Bleigläser erfüllen diese Voraussetzung ohnehin. In Zeiten bleifreier Ökogläser hat diese Anforderung jedoch zu einem weiteren Trend geführt: zur gezielten Entwicklung so genann-ter Low-TG-Gläser mit Transformationstemperaturen von unter  550 °C. Lange scheiterte die Einführung des Blankpressverfahrens in die hochpräzise Optik übrigens daran, dass sich die Werkzeuge nicht ausreichend genau formen ließen.

Glaseigenschaften

Eine Glaslinse, die sich für den Einsatz im Objektiv eignen soll, muss in der Regel transparent sein, also alle sichtbaren Farbanteile des Lichts weitgehend ungehindert passieren lassen. Eine Hürde ist die Absorption, sprich die Eigenschaft einiger hochbrechender Glasarten, bei großen Dicken elektromagnetische Strahlung im violetten und blauen Spektralbereich zu „schlucken“: Im Glas sind zwar alle Elektronen gebunden. Die Strahlung kurzer Wellenlängen kann jedoch die Elektronen auf den äußeren Atomschalen auf höhere Energieniveaus anheben. Damit diese Absorption nur im nicht sichtbaren ultravioletten, nicht aber im sichtbaren blauen Spektralbereich auftritt, müssen die Glashersteller sicherstellen, dass die eingesetzten Rohstoffe extrem rein sind. Denn durch Verunreinigungen, etwa durch Spuren von Übergangsmetallen, kann die Ultraviolett-Absorptionskante in den sichtbaren blauen Bereich rutschen. Im Bild fehlen dann wichtige Blauanteile.

Klassisch: Noch immer entstehen die meisten Objektivlinsen durch Schleifen und Polieren. Hier die Politur einer asphärischen Linse.

Die Brechkraft einer Linse interessiert Objektivkonstrukteure ganz besonders. Sie hängt von der Krümmung der Linsenoberfläche und der Brechzahl des verwendeten Glastyps ab. Beide Parameter müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein, damit der einfallende Lichtstrahl an der richtigen Stelle auf die Bildebene trifft. Im Prinzip streben die Entwickler Gläser mit möglichst hoher Brechzahl an, um auf größere Krümmungsradien der Linsen (flache Linsen) zurückgreifen und so Abbildungsfehler minimieren zu können. Mit einer hohen Brechzahl von 1,923 gehört das Schott N-SF66 beispielsweise zu den Gläsern, die Objektivhersteller bevorzugen. Solche hochbrechenden Glassorten enthalten oft dichte Komponenten wie Zirkonoxid, Titanoxid und Nioboxid.

Trotz der Vorteile hoher Brechzahlen, setzen die Entwickler in Objektiven durchaus auch Glastypen mit kleiner Brechzahl ein. Der Grund: Je höher brechend die Glassorte, desto stärker verändert sich die Brechzahl mit der Wellenlänge (siehe Abbildung „Dispersion“). Blaues Licht wird beispielsweise stärker gebrochen als rotes Licht. Die Zerstreuung (Dispersion) des Lichtstrahls in seine Farbanteile und der dadurch verursachte Farbfehler sind bei hochbrechenden Glastypen also besonders ausgeprägt. Als Maß für diese Farbzerstreuung dient die Abbe-Zahl, die sich aus den Brechzahlen bei drei unterschiedlichen Wellenlängen ergibt, etwa bei Blau, Gelb und Rot – je kleiner die Abbe-Zahl, desto stärker die unerwünschte Farbzerstreuung. In puncto Dispersion empfehlen sich also Glastypen mit großer Abbe-Zahl. Bei 55 liegt eine Art traditionelle Grenze: Gläser mit einer Abbe-Zahl unter 55 gelten als hochbrechende Flintgläser mit hoher Dispersion. Krongläser mit einer Abbe-Zahl über 55 zeichnen sich dagegen durch eine schwache Dispersion aus. Das Abbe-Dia-gramm, die Bibel für Optik-Entwickler, veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Brechzahl und Dispersion – jeder Punkt steht für eine Glassorte. Das Abbe-Diagramm zeigt, dass es kein „perfektes" Glas mit extrem hoher Brechzahl und gleichzeitig niedriger Dispersion gibt. Die Lösung: Man kombiniert mehrere Linsen unterschiedlichen Glastyps und Brechverhaltens so geschickt, dass die Farbzerlegung der einen Linse die der anderen kompensiert. Beispielsweise kann ein Linsen-Doublet aus Flint- und Kronglas (Achromat) den Farbsaum im Bild bedingt ausgleichen, indem es zumindest zwei Farbanteile zur Deckung bringt. Objektivhersteller bezeichnen Gläser mit besonders niedriger Dispersion wie das Schott N-PK52A oft als ED-, LD- oder UD-Glas und setzen sie vor allem in hochwertigen Objektiven ein.

Bunte Mischung: Glas besteht in der Regel aus einem Gemisch verschiedenster chemischer Bestandteile. Quarzsand gehört zu den klassischen Bausteinen.

Vor allem für Hochleistungsobjektive reicht die Korrektur mit Hilfe einer schlichten Flint-/Kronglaskombination nicht aus. Hier brauchen die Optikentwickler zusätzlich Spezialgläser mit einem außergewöhnlichen Brechzahl-Dispersionsverlauf bzw. mit einer anomalen Teildispersion, um dem Objektiv seine herausragende Abbildungsleistung zu sichern. Gläser mit anomaler Teildispersion weisen eine von der Norm „abweichende" Farbstreuung auf, so etwa das neue Sonderglas Schott N-KZFS8. Nur durch die geschickte Kombination solcher Spezialgläser mit Krongläsern, die einen normalen oder sogar in die entgegengesetzte Richtung abweichenden Verlauf zeigen, ist eine Farbkorrektur bei drei Wellenlängen bzw. Farbbereichen möglich. Da solche Sondertypen oft um das 13- bis 16-fache teurer sind als Standardgläser, kommen sie nur in hochklassigen Objektiven zum Einsatz.

N-SF66 N-PK52A N-KZFS8
Typ Hochbrechendes Flintglas Kronglas Kurzflintglas mit anomaler Teildispersion
Chemische Bestandteile (ungefähre Zusammensetzung) Niobpentoxid (40–50%), Phosphoroxid (20–30%), Bariumoxid (20–30%), Titanoxid (1–10%), Kaliumoxid (1–10%), Zinkoxid (<1%) Fluor (20–30%), Phosphoroxid (10–20%), Strontiumoxid (10–20%), Bariumoxid (10–20%), Aluminiumoxid (1–10%), Calciumoxid (1–10%), Magnesiumoxid (1–10%) Siliziumdioxid (30–40%), Niobpentoxid (30–40%), Zirkonoxid (1–10%) und ca. 10 weitere Komponenten
Brechungsindex nd 1,92286 1,49700 1,72047
Abbezahl 20,88 81,61 34,70
Transmission bei 400 nm und 10 mm Dicke 0,504 0,997 0,963
Transformationstemperatur TG 710°C 467°C 509°C
Koeffizient der thermischen Längenausdehnung zwischen -30°C und +70°C [10-6/K] 5,9 13,0 7,8
Knoop-Härte HK 440 355 570
Säureklasse SR 1 52,3 1
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Einige Glaseigenschaften beeinflussen zwar nicht die Abbildungsleistung, sind aber für Fertigung und Produktionskosten der Linsen höchst entscheidend. So verlieren Linsen aus besonders weichem Glas sofort die Form, wenn beim Polieren nur ein minimaler Fehler unterläuft. Und viele säureempfindliche Glassorten korrodieren bereits bei Kontakt mit normal feuchter Umgebungsluft, und zwar teils innerhalb weniger Minuten. Sie müssen daher möglichst permanent etwa in evakuierten Systemen oder in Stickstoff gelagert werden – bis die daraus gefertigte Linse mit einer Oberflächenschicht versiegelt ist. Solche Schutzmaßnahmen kosten Geld! Deshalb wird ein Optikentwickler zurückhaltender, wenn er von einer Knoophärte HK unter 450 und einer Säureklasse SR von 5 liest, denn das spricht für eine derart weiche und säureempfindliche Glassorte, dass sie besondere Vorsicht beim Schleifen und Polieren erforderlich macht und außerhalb des evakuierten Systems schon nach nur sechs Minuten unbrauchbar sein kann.

Sobald der Objektivhersteller Linsen verschiedener Glassorten miteinander verkittet, muss er bei der Wahl der Gläser auf deren thermische Ausdehnungskoeffizienten achten. Sie sollten aufeinander abgestimmt sein. Sonst kann die Kontaktfläche des Kittgliedes aufplatzen, wenn das optische System größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist und sich die verkitteten Gläser dabei unterschiedlich stark ausdehnen.

Glas als Werkstoff: Abbe-Diagramm Die „Bibel“ der Optikentwickler: Das Abbe-Diagramm stellt den Zusammenhang von Brechzahl und Dispersion dar. Jeder Punkt steht für einen optischen Glastyp von Schott.
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