Reconstructia metodelor de fabricatie a lentilelor din veacul al 17-lea. Partea 1

Tehnici de fabricație a lentilelor pentru lunete astronomice simplet în secolul al XVII-lea

Scurt Istoric

În secolul al XVII-lea, construirea lentilelor pentru telescoape nu era doar o meserie, ci o adevărată artă combinată cu știința sticlei și a luminii. În epoca lui Galileo, Huygens sau Giuseppe Campani, telescoapele erau instrumente de lux și cercetare, iar fiecare lentilă obiectiv reprezenta rezultatul unui proces extrem de minuțios și răbdător.

1. Obținerea sticlei de calitate optică

Primul pas în manufacturarea unei lentile pentru telescop era obținerea sticlei cristaline. În această perioadă, sticla nu era uniformă ca în zilele noastre, iar imperfecțiunile sau bulele de aer erau frecvente. Fabricanții optici foloseau:
Ingrediente tradiționale: nisip silicios foarte fin, potasă sau cenușă de sodiu, calcar și uneori aditivi pentru transparență.
Topire lentă : amestecul era topit în cuptoare la temperaturi de peste 1300 °C.
Răcire controlată: sticla era lăsată să se răcească treptat în cuptoare speciale pentru a evita tensiunile interne, care ar fi provocat distorsiuni optice.
Din acest proces rezulta un blank, o bucată brută de sticlă care urma să fie transformată într-un obiectiv de telescop. Dimensiunea blankului era aleasă astfel încât să depășească ușor diametrul lentilei finale, oferind material suficient pentru șlefuire și polizare.

2. Conturarea lentilei și planificarea curburii

După obținerea sticlei, meșterul începea conturarea lentilei.
Lentilele pentru telescoapele simple erau în general biconvexe, cu diametre între 25 și 65 mm și lungimi focale foarte mari, de la 1 până la 5 metri, pentru a reduce aberatia cromatică și sferică.

Forma era trasată pe blank, folosind șabloane din lemn sau metal pentru a ghida curburile. Uneori, meșterii foloseau rigle și compasuri pentru a verifica uniformitatea suprafeței.
Scopul era ca lentila să aibă o curbură aproximativ perfectă, cu o mică toleranță, deoarece orice denivelare putea produce imagini neclare sau franjuri de culoare.

3. Șlefuirea lentilei
Șlefuirea era cea mai importantă și consumatoare de timp etapă, iar tehnica folosită reflecta experiența fiecărui meșter:
1. Șlefuirea brută:
Lentila era fixată pe un suport rotativ sau ținută manual.
Se folosea un batel (o matrita concavă din metal), mai mare decât diametrul lentilei, acoperit cu pulbere abrazivă (nisip fin, cuart zdrobit sau piatră ceramică).

In general aceste matrite metalice forma lor concava sau convexa era decupata la strung iar raza de curbura a matritei genera defapt curbura lentilei.

Lentila era frecată circular sau eliptic pe matrita, scoțând treptat materialul necesar pentru a ajunge la forma dorită.

Meșterul verifica progresul fie prin compararea cu un șablon, fie prin observarea focalizării unei surse de lumină distantă, ori prin alte metode folsind compasuri si rigle.

2. Șlefuirea fină
După ce forma generală era corectă, se trecea la șlefuirea cu pulbere mai fină (praful de cuarț foarte fin sau pulbere din carbura de silciu).
Această etapă netezea zgârieturile și gropitele ramase de la vechiul abraziv si pregătea suprafața pentru polizare.

La final suprafata lentilei trebuia sa aiba aspectul laptelui degresat, alba si neteda astfel incat sa fie gata pentru polizare.

4. Polizarea lentilei
Polizarea transforma suprafața șlefuită într-una complet transparentă:
Se foloseau matritele folosite la slefuire, ele fiind acoperite cu piele, pâslă sau hârtie fină, materiale mult mai moi decât lemnul sau metalul brut.
Abrasivul principal era tripoli (oxid rosu de fier) sau oxid de ceriu, amestecat cu apă pentru a forma o pastă ușor abrazivă sau uscata.
Lentila era frecată cu mișcări circulare sau eliptice, cu presiune controlată, până când suprafața devenea complet lucioasă.
Meșterul testa progresul optic prin metoda focalizării luminii și observații preliminare ale obiectelor îndepărtate.

5. Testarea și colimarea lentilei
După polizare, lentila era supusă unor teste optice stricte: Se monta într-o celulă metalică sau de lemn și se verifica focalizarea. Pentru obiectivele astronomice, meșterul privea prin lentilă stelele sau alte obiecte îndepărtate, identificând halo-uri, aberații cromatice sau distorsiuni in froma stelelor.
În caz de imperfecțiuni, se revenea la polizare locală, prin corectii finale. Acest proces putea dura săptămâni sau chiar luni pentru un singur obiectiv, dar rezultatul era o lentilă capabilă să dezvăluie detalii astronomice imposibil de observat cu ochiul liber.

6. Caracteristicile lentilelor simple din secolul XVII
Lentilele fabricate în această perioadă aveau:

Lungimi focale foarte mari pentru a compensa aberațiile cromatice. Diametre reduse comparativ cu telescoapele moderne, dar suficient de mari pentru a observa Luna, planetele și stelele mai strălucitoare.

Suprafețe extrem de netede și lucioase, obținute prin polizare manuală. Chiar dacă imaginile nu erau perfecte și prezentau franjuri de culoare și halo-uri în jurul obiectelor strălucitoare, aceste lentile au revoluționat astronomia, permițând descoperiri fundamentale și deschizând calea pentru viitoarele generații de telescoape.

Lentile obiectiv pentru lunete aeriale fabricate de Huygens 1686

Diverse metode de generarea curburi matritelor metalice folosind diferite masinari

Procesul de slefuire al unei lentile

Slefuirea mecanizata

Atasarea lentilei la manerul destinat slefuiri.

Manerul din lemn pe care era lipita lentila obiectiv

Slefuirea lentilelor pe matrite concave metalice folsind diverse masini pentru a grabi procesul

Matrite metalice din alama folosite pentru slefuirea si polizarea lentilelor

Matrita metalica concava din alama pentru slefuirea lentilelor convexe

Matrite concave pentru manufacturarea lentilelor oculare

Matrite convexe pentru slefuirea lentilelor concave

Diverse matrite pentru slefuirea lentilelor

Un set de 22 de unități de măsură metalice pe care Campani le folosea la fabricarea lentilelor sale, în special pentru a măsura dimensiunea obiectivelor, diafragmele și distanța dintre ochi, ocular și obiectiv.

Slefuirea lentilelor

Metoda de slefuire a lentilelor

Compas pentru taierea si decuparea discului de sticla

Taierea discului de sticla

Slefuirea lentilei pe matrita metalica

Atasarea lentilei pe maner

Slefuriea pe matrita concava metalica

Alte metode de aatsare a lentilei pe un suport bobat pentru slefuirea lentilei

Maner circular pentru manevrarea lentilei

Noua tehnica de slefuire a lentilelor pe matrite din sticla

Polizarea pe pasla, atasarea paslei pe matrita concava

Polizarea pe pasla

Polizarea lentilelor pe hârtie în secolul al XVII-lea

În secolul al XVII-lea, polizarea lentilelor reprezenta una dintre cele mai delicate și esențiale etape în fabricarea telescoapelor. După ce lentila fusese șlefuită cu succes, suprafața ei rămânea netedă, dar totuși mată și imperfectă din punct de vedere optic. Pentru a obține claritatea și transparența necesară observațiilor astronomice, meșterii recurgeau la o tehnică ingenioasă: polizarea pe hârtie.

Materialele folosite

Contrar polizării cu bateluri din lemn sau piele, polizarea pe hârtie folosea:

Hârtie fină, subțire și uniformă, deseori provenită din pagini de carte sau din hârtii manufacturate manual, cu suprafață netedă, fără asperități.

Pulberi abrazive foarte fine, precum tripoli (pământ de diatomite) sau oxid de ceriu.

Uneori, meșterii aplicau un strat subțire de apă sau ulei pentru a ajuta pasta să alunece uniform și a preveni zgârierea sticlei.

Hârtia trebuia aleasă cu mare atenție: o hârtie prea groasă sau aspră ar fi zgâriat lentila, iar una prea moale nu ar fi permis îndepărtarea fină a imperfecțiunilor microscopice. Experiența meșterului era crucială pentru selecția corectă.

Metoda de polizare

Polizarea pe hârtie se desfășura astfel:

Fixarea lentilei: Lentila era plasată pe un suport stabil sau ținută manual, cu grijă, pentru a evita presiunea excesivă.

Procesul de lipire

Lipirea hârtiei necesita un material adeziv compatibil cu hârtia și metalul, dar și suficient de maleabil pentru a preveni denivelările. În secolul XVII se foloseau:

Lipici de tip animal: obținut din colagen extras din piei, oase sau tendoane, preparat sub formă de pastă sau soluție caldă. Era flexibil după uscare și nu afecta hârtia.

Pastă lipicioasă din amidon sau făină: uneori folosită ca alternativă vegetală, mai ușor de preparat în atelierele meșteșugarilor.

Ambele tipuri de lipici erau preparate cu grijă pentru a obține o vâscozitate medie, suficientă pentru a adera hârtia fără să se formeze gropi sau cute.

Guma arabica fiind una din cele mai des folosite fiind utilizata si de mari opticieni precum Giuseppe Campani.

Procedura de lipire

1. Pregătirea matriței

Suprafața concavă a metalului era curățată și netezită pentru a permite lipirea uniformă.

Uneori era ușor umezită pentru a favoriza aderența lipiciului.

2. Aplicarea lipiciului:

Lipiciul era întins subțire și uniform pe întreaga suprafață concavă, de obicei cu o spatulă sau cu o pensulă largă.

Era important ca stratul să fie suficient de fin pentru a evita denivelările, dar suficient pentru a adera complet hârtia.

3.Fixarea hârtiei:

Hârtia, de regulă foarte subțire și flexibilă, era așezată cu grijă pe matriță, începând de la centrul concavității și întinzându-se către margini.

Meșterul presăra ușoare apăsări cu degetele sau chiar cu lentila in unele cazuri era utilizat un burete moale pentru a elimina bulele de aer și cutele.

4. Distribuția uniformă a lipiciului:

Pentru a preveni denivelările, lipiciul se distribua cu mișcări radiale și circulare astfel încât fiecare punct de hârtie să fie în contact perfect cu metalul.

Dacă se forma o mică bulă sau ridicare, hârtia era ridicată ușor și repoziționată, fără a rupe fibra delicată.

5. Uscarea și fixarea finală:

Matrița acoperită cu hârtie lipită era lăsată să se usuce lent, de preferință la temperatura camerei, pentru a evita contracția bruscă care ar fi putut provoca cute sau denivelări.

După uscare, hârtia forma un strat uniform, elastic, gata să suporte abrazivul folosit în șlefuire și polizare.

Pregatirea polizarii dupa uscarea lipiciului

1. Aplicarea abrazivului: Pulberea fină de tripoli sau oxid de ceriu era presărată uniform pe hârtie.

2. Mișcările de polizare: Meșterul freca lentila pe hârtie cu mișcări circulare sau eliptice, controlând presiunea și direcția. Scopul era să netezească suprafața lentilei fără a altera curburile exacte obținute la șlefuire.

3. Controlul progresului: Periodic, lentila era curățată și testată optic, de obicei prin focalizarea luminii unei surse îndepărtate sau observarea stelelor. Orice imperfecțiune detectată era corectată prin revenirea la polizarea pe hârtie, cu ajustarea presiunii sau a abrazivului ori schimbarea hartiei.

4. Contactul intre lentila si hartia de polizat trebuie sa fie unul foarte bun pentru a obitine o calitate buna, daca mesterl observa ca in timpul procesului de polizare lentila nu se lustruia uniform acesa era un semn ca contactul intre cele doua nu era bun si acesta era un semn ca trebuie sa schimbe hartia.

5. Hartia trebuia schimbata in momantul in care mesterul observa puncte pe suprafata lentilei cea ce sugera ca hartia sa uzat si a inceput sa slefuiasca suprafata.

6. Polizarea trebuia sa fie in cele mai multe cazuri manuala pentru ca masinile chiar daca erau angrenate in a grabi procesul de polizare la final corectiile optice trebuiau facute manual.

Existau masini si pentru polizare dar trebuiau sa aiba un rpm foarte scazut pentru ca lentila sa nu se supraincalzeasca si sa produca defecte optice in timpul procesului de polizare.

Christiaan Huygens a folosit asemenea masini proiectate de el pentru a grabi procesul de polizare.

Avantajele polizării pe hârtie

Această metodă avea mai multe avantaje față de polizarea veche pe fetru:

Control mai fin al suprafeței: Hârtia permitea lucrul cu pulberi extrem de fine, ceea ce asigura o suprafață aproape perfectă.

Reducerea riscului de zgârieturi mari: Spre deosebire de batelurile mai dure, hârtia fină proteja lentila de zgârieturi accidentale.

Adaptabilitate: Polizarea pe hârtie putea fi aplicată pe întreaga suprafață sau doar pe zone problematice, pentru corecturi precise.

Calitatea optica mult mai buna decat polizarea pe fetru.

Dezavantaj

Polizarea pe hartie nu lasa o suprafata foarte transaprenta si extrem de lucioasa precum la polizarea pe fetru iar timpul de polizare este mai lung in functie de calitatea hartiei.

Trebuie schimbata hartia mai des mai ales in momentul in care te apropi de finalul procesului de lustruire. Spre final mesterul trebuia sa foloseasca hartia cea mai neteda pentru a finaliza procesul de polizare iar aici se finalizau ultimele retusuri si corectii optice.

Impactul asupra opticii

Lentilele polisate pe hârtie erau caracterizate de o claritate remarcabilă pentru standardele secolului XVII. Suprafața fină permitea transmiterea luminii fără distorsiuni majore, iar imaginea obținută, chiar dacă nu era perfect corectată cromatic, era suficient de clară pentru a studia Lună, planete și stele. Meșterii ca Campani sau Huygens au folosit această tehnică pentru a produce obiective cu performanțe optice superioare, chiar și pentru telescoape cu lungimi focale mari.

Aceata metoda simpla si eficienta este potrivita pentru fabricarea lentielelor de focala lunga si produce astfel suprafte optice foarte bune limitate de difractie la diametrul util fiind excelente apropriate lentilelor moderne.

Polizarea lentilelor pe hârtie reprezenta o dovadă a ingeniozității și răbdării meșteșugarilor din secolul XVII. Tehnica combina materiale simple – hârtie, pulberi abrazive și apă – cu o precizie manuală extraordinară. Datorită acestei metode, lentilele pentru telescoape simple biconvexe au atins un nivel de calitate care a revoluționat observațiile astronomice și a permis primilor astronomi să exploreze detalii ale cosmosului imposibile de perceput cu ochiul liber.

Polizarea pe hartie manuala sau mecanizata

Diverse masini pentru slefuirea si polizarea lentilelor mari

Aspect dintr-un atelier de fabricatie optica de la mijlocul veacului al 18-lea

Diverse unelte folosite la fabricarea lentielelor

Diverse unelte si matrite folosite in fabricarea lentilelor

Diverse masinipentru prelucrarea lentilelor: Sus strung pentru decuparea si degrosarea matritelor metalice, jos masina de slefuit lentile.

Alte metode de fabricatie

Există surse istorice care indică faptul că unii meșteri din secolul XVII, inclusiv cei din Olanda, foloseau matrițe din sticlă pentru șlefuirea și polizarea lentilelor, nu doar matrițe metalice.

Șlefuirea lentilelor cu matrițe din sticlă

1. Materialul matriței:

Matrița era realizată din sticlă mai dură și mai densă decât lentila de șlefuit.

Forma concavă sau convexă a matriței era pregătită în prealabil prin șlefuire și polizare extrem de fină.

2. Principiul utilizării.

Lentila era frecată pe matrița din sticlă folosind pulberi abrazive foarte fine (nisip, cuarț sau pulbere ceramică).

Matrița din sticlă permitea control precis al curburii lentilei și reducea riscul de denivelări comparativ cu matrițele metalice.

3. Polizarea pe matriță de sticlă:

După șlefuirea brută, lentila era polisată pe aceeași matriță, de obicei cu oxid de ceriu sau tripoli aplicat pe hârtie fină lipită pe sticlă.

Hârtia ajuta la distribuirea uniformă a abrazivului și la protejarea lentilei de zgârieturi.

4. Avantaje

Uniformitate mai mare a curburii: sticla nu ceda sub presiune și nu introducea imperfecțiuni.

Calitate optică superioară: suprafața netedă a matriței permitea realizarea de lentile mai precise.

Control fin al șlefuirii locale: meșterul putea corecta mici imperfecțiuni fără să afecteze întreaga lentilă.

Deci, într-adevăr, în anumite ateliere olandeze ale secolului XVII, matrițele din sticlă erau preferate pentru șlefuirea lentilelor mici sau foarte precise, cum era cazul lentilelor obiectiv pentru telescoape și microscoape. Nicolaas Hartsoeker și alți meșteri care lucrau la microscoape de înaltă performanță foloseau această tehnică pentru a obține lentile cu curbură exactă și suprafață extrem de netedă.

Hartsoeker nu-i plăceau masinile, preferând să-și slefuiasca lentilele în întregime manual; două dintre acele mâini aparțineau soției sale, Elisabeth Vettekeucken. Și-a făcut modelele din sticlă, testându-le curbura prin referire la lentile cu distanță focală cunoscută. Formele au fost modelate prin măcinare cu nisip și smirghel, apoi căptușite cu hârtie netedă. Lentila a fost polizata cu tripoli pe hartie. Hartsoeker a susținut că nu există o metodă mai bună pentru fabricarea lentilelor sferice și, în ceea ce privește cele nesferice, acestea erau mai puțin precise decât și-ar fi dorit teoreticienii. El a permis ca lentilele pentru oculare să fie lucrați pe metal, acestea fiind mai puțin supuse modificării formei decât formele de sticlă. Mașinile erau, totuși, esențiale pentru lentilele mici, care nu puteau fi manipulate cu ușurință; ele puteau fi polizate foarte eficient pe pasla.

Din toate sursele de mai sus slefuirea lentileor pe matrite din sticla supradiametrale reprezinta cea mai usoara metoda de fabricatie care poate fi efectuata si azi, mari ramane hartia pentru polizat care se poate obtine din carti vechi avand foi supriri si netede gen 16 gr/mm.