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CNC Drehen optischer Komponenten

Kondensor-Linse 145mm Brennweite

Mit dem selbstgebauten CNC Support für unsere Drehbank und polierten Werkzeugen haben wir uns an der Fertigung optischer Komponenten versucht. Mittels CNC Steuerung können beliebige rotatiosnsymmetrische Formen erzeugt werden. Als erstes Testobjekt diente eine große Kondensor-Linse für einen Photo-Vergrößerer Philips PCS 130 mit einer Brennweite von 145mm (benötigt für Vergrößerung von Mittelformat Negativen), da das Ersatzteil nicht mehr verfügbar ist. Da die Linse nicht in der Optik beteiligt ist, die das Bild abbildet, sonder nur die Lichtverteilung auf dem Negativ beeinflusst sind die Anforderungen an die optische Güte nicht besonders hoch.

Berechning der Linse

Berechnung der einseitig gekrümmten Linse mit Brennweite 145mm

Berechnung

Aus dem Handbuch des PCS130 wurde entnommen, dass die Brennweite der Kondensor-Linse für Mittelformat-Negative 145mm sein muss. Der Kondensor besteht aus zwei Linsen, die jeweils nur auf einer Seite gewölbt sind. Die obere Linse hat eine Brennweite von 145mm und ist immer in Benutzung, die untere Linse wird für unterschiedliche Negativ-Formate angepasst. Für 36mm-Kleinbild-Negative wird eine Linse mit Brennweite 91mm verwendet, für Mittelformat 6cm x 7cm eine Linse mit Brennweite 145mm.

Vergrößerer Philips PCS130

Vergrößerer Philips PCS130

Die Formel für den Krümmungsradius von Linsen lautet (nach [1]):

     \[ \frac{1}{f} = (n-1) \left(\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}\right) - \frac{(n-1)^2}{n}\frac{d}{r_1 r_2} \]

Dabei ist f die Brennweite, r der Radius (recht bzw. links), n der Brechungsindex des verwendeten Materials und d die Dicke der Linse. Da die Linse auf der einen Seite plan sein soll gilt:

    \[ r_2 \rightarrow \infty \]

und damit

    \[ \frac{1}{f} = (n-1) \frac{1}{r_1} \]

Umstellen und Einsetzen der Werte für Brechnungsindex von n = 1.492 (nach Wikipedia) und Brennweite f = 145mm ergibt:

    \[ r_1 = (n-1) \cdot f = 0,492 \cdot 145 \mathrm{mm}} = 71,34 \mathrm{mm} \]

Dem entsprechend wurde die Linse gezeichnet.

Linse 145mm Zeichnung

Zeichnung der Kondensor-Linse

Herstellung der Linse aus Acrylglas

An ein vorhandenes Stück Acrylglas wurde ein weiteres Stück angeklebt, um es in unserem Vierbackenfutter spannen zu können. Dann wurde mit dem Drehen der Linsenfläche begonnen, zunächst mit viel Vorschub was zu einer sehr groben Oberfläche führt – es muss aber erstmal nur die Form erreicht werden.

grobe Oberfläche CNC Drehen

.Vorbereitung grob CNC Drehen

Dann wurde die Vorschub-Geschwindigkeit gesenkt, wodurch direkt beim Drehen schon eine fast transparente Oberfläche entsteht:

Anmerkung: Wenn man genau hinsieht, sind in der Oberfläche leichte Wellen zu erkennen. Es wurde später festgestellt, dass diese Wellen von einer Lose in der Motorkupplung der X-Achse resultieren. Die Kupplung wurde repariert und anschließend waren auch die Wellen verschwunden.

Nach dem Drehen wurde die Oberfläche noch poliert:

Kondensor-Linse 145mm Brennweite

fertige Linse

Optik Linse Acrylglas fertig

Die Brennweite der Linse wurde experimentell überprüft und stimmt soweit messbar mit der berechneten Brennweite überein.

Dieses Projekt diente als Probelauf für einen Kundenauftrag.