Reconstructia metodelor de fabricatie a lentilelor din veacul al 17-lea. Partea 2

  

  În secolul al XVII-lea, lentilele obiectiv, realizarea unei lentile obiectiv era atat artă cat şi ştiinţă.: Materialele, tehnicile şi cunoştinţele optice erau limitate. În prezent, avem entuziasm istoric şi tehnic de a replica aceste lentile, fie pentru demonstraţii, fie pentru cercetări istorice, fie pentru effect vizual (în fotografie, astronomie, muzee). Dar realizarea unei replici autentice pune multe întrebări: ce înseamnă „autentic”, ce toleranţe, ce sticlă, ce forme, ce aberaţii, etc.

Ce ştim despre lentilele secolului XVII: materiale, tehnici, limitări.

1. Materiale de sticlă

Sticla era făcută prin topirea nisipului de silice cu diverşi fluxanţi (ex: sodă, potasă) și alţi aditivi. Claritatea sticlei era adesea imperfectă, existau incluziuni de bule de aer, variaţii de indice de refracţie în masă. 

Homogenitatea era o problemă majoră: unele lentile păreau bune la suprafaţă, dar când se foloseau, distorsiunile interne sau diferenţele de grosime sau compoziţie influenţau calitatea imaginii. Torricelli, în anumite teste, nota probleme legate de sticlă neuniformă. 

2. Forme şi curbură

Lentilele non-corectate pentru aberaţii cromatice şi pentru altele. De exemplu, multe obiective erau simplet plan comvexe si biconvexe. Aberaţiile sferice, si in special aberaţiile cromatice erau enorme, deci pentru telescop se foloseau focale foarte mari pentru a reduce vizual impactul cromatismului. 

Suprafaţa lentilelor era şlefuită şi polisată manual sau la masina. Se foloseau boluri metalice sau matrite din metal acoperite cu abrazivi (pudră de emerie, nisip de diferite granulatii sau materiale similare). În ultima etapă se foloseau pulberi mai fine pentru polizare. 

3. Toleranţe şi control

Nu existau instrumente moderne de măsură precisă: spherometre, interferometre, dar mai simple, rudimentare. De aceea, toleranţele de grosime, curbură, abatere erau destul de mari comparativ cu standardele moderne. 

Imperfecţiunile vizibile sau nu vizibile afectau performanţa: margini (edge) nerafinate, abateri de formă, suprafeţe imperfecte. Lentilele obiectiv erau reduse cu diafragme (deschideri reduse) ca să restrângă diametrul util al lentilei, folosind doar porţiunea centrală, pentru a minimaliza aberaţiile optice majore. 

4. Focale mari, tuburi simple sau chiar fără tub

Pentru telescoape, pentru a reduce aberaţiile cromatice şi pentru a îmbunătăţi imaginea, obiectivele erau făcute cu focale foarte mari, uneori fără tub (telescop aerial), cu obiectiv montat pe un catarg, iar ocularul si obiectivul erau legate prin intermediul unui fir. 

Polizarea pe hartie

Polizarea pe pasla

Propunere de proces pentru o replică modernă
 
 Mai jos un plan în paşi cum să faci o lentilă obiectiv din secolul XVII în prezent, cât mai fidel:

1. Documentare istorică. Colectarea informaţiilor despre lentila concretă pe care vrei s‑o replici: grosime, diametru, curburi, focală, tip sticlă, defecte cunoscute, imagini existente etc. Acces la muzee, colecţii, literatură istorică, jurnale, tratate de optică din epocă. Să ai surse suficient de detaliate; dacă nu, va trebui să faci ipoteze.
2. Alegerea sticlei. Alegerea unei sticle cu proprietăţi cât mai apropiate: indice de refracţie, dispersie, claritate / impurităţi. Fabricanţi de sticlă optică, laborator, teste de transmisie, spectroscopie etc. Dacă nu găseşti sticlă “istorică”, decide cât de mult vrei să te apropii vs compromis.
3. Modelare optică preliminară. Simularea lentilei pe software optic pentru a vedea aberaţiile, cât de mare focală este necesară dacă vrei o imagine decentă etc. Software optic, cunoştinţe de optică; posibil adaptări pentru sticlă cu dispersie mare. Verifică distanţa focală, diametrul utilizabil, impactul cromatismului etc.
4. Fabricare fizică – formarea lentilei. Tăierea blankului de sticlă, formare grosieră a curburii iniţiale prin şlefuire grosieră, apoi şlefuire fină; conturarea marginilor; apoi polizare. Lustruire manuală sau cu maşini care pot imita metoda veche; set de abrazivi de grosimi diferite; pudra de polizare tradiţionala; banc optic stabil; instrumente de măsurare curbură (sferometre) etc. Menţine simetria, asigură o curbură uniformă, evită zgârieturi,  dacă e necesar; verifică grosimea centrală vs margini.
5. Montare / montură. Lentila trebuie să fie montată într‑o montură care să o susţină fără tensiune, să fie centrată, să fie posibil de fixat; tubul sau sistemul optic (telescop) construit similar epocii. Materiale de epocă: lemn, carton, metal simplu; sau replici cu materiale moderne dar cu design vizual similar; montura similara cu cea existenta in veacul al 17-lea, sau imitatie. Verifică aliniamentul lentilei ‑ocular sa fie pe acelasi ax, centrate amandoua.

Tuburile trebuie sa fie drepte, se poate proiecta un design telescopic cu tuburi care imbina unul in celalat precum cele din veacul al 17-lea.

Se poate monta la focale mai scurte pe u singur pnct d esprinjin la mijloc ( montura cu trepied altazimutal) sau pe doua puncte de srijin la focale mai lungi unul in capat la obiectiv si celalalt la ocular, pentru focale foarte lungi peste 3m este necesar o montura mai zdravana ce implica scripeti si sfori pentru a evita curbarea tubului.

6. Testare optică Teste de imagine: rezoluţie, contrast; vedere la lumină; verificare a aberţiilor; dacă este posibil, măsurători interferometrice; comparare cu lentila originală (dacă exista) sau cu imagini documentate. Cameră digitală, sursă de lumină colimată, targete de test; echipamente de măsură de înaltă precizie; software de analiză. Ajustare diafragmă; observare la margini vs centru; estimarea aberaţiilor cromatice.

Ce compromisuri probabil vei face
 Calitatea sticlei: poate vei accepta sticlă mai curată decât originalul, dar asta diminuează autenticitatea.
Diametrul util vs diametrul total: probabil va trebui să foloseşti o diafragmă care restrânge marginea lentilei, pentru că marginile au imperfecţiuni.
Focale foarte mari: pentru telescop, pentru a reduce cromatismul, vor trebui lentile cu focale mari, ceea ce face instrumentul voluminos, greoi, poate instabil.
Costuri ridicate dacă vrei tot manual, sau dacă vrei automatizat realizarea lentilelor obiectiv, varianta manuala este cea mai ieftina cu costuri reduse.
Utilizare limitată: respectând metode istorice, imaginea nu va compara cu lentile moderne. Dar asta poate fi parte din farmec.

Studiu de caz ipotetic:

Să presupunem că vrei să reproduci o lentilă obiectiv convex simplu, de diametru ~ 47 mm, focala ~ 2 metri, inspirată de telescoape din secolul XVII. 
Sticlă: cauţi un tip de sticlă cu indice ~1.50, dispersie relativ mare; eventual un tip de sticlă crown fără tratamente moderne de eliminare a impurităților.
Modelare: simulezi ce aberaţii vei avea — cromatismul va fi foarte vizibil; decizi să foloseşti diafragma pentru a opri lentila la ~37mm diametru util pentru imagine mai clară.
Sticla float de geam este foarte similara cu oglinzile venetiene avand aprope acelasi indice.
Fabricare: şlefuire grosieră manuală pe forme metalice (boluri), apoi finisare fină. 

Polizare cu pulbere naturali, pulberi fine, oxid rosu de fier, Ceo2 uscat pe hartie sau umed pe pasla.

Montură: tub de lemn/carton drepte acoperite cu autocolant, montură simplă; lentila susţinută fără lipire intr-o ceula din lemn sau carton.
Teste: observi margini neclare, aberatii cromatice; poate foto la stele sau obiect la distanţă mare; compari cu simulări pentru validare. vizual sau foto. Se pot folosi metode de testare moderna pentru evaluarea optici dar si vechi in acelasi timp.

   În cartea The History of the Telescope de Henry King se spune că instrumentele de şlefuire (grinding tool, matriţele sau formele) erau făcute din cupru sau alamă („brass tool”), şi că acestea depăşeau de două ori diametrul lentilei propuse. Se folosea o matriţă de metal turnată, plat‑rotundă, de grosime relativ consistentă, care să poată fi şlefuită şi frecvent ajustată. 

Iată fragment:

 „The grinding tool was of either copper or brass, and generally exceeded twice the proposed diameter of the lens. He cast the metal in a round, flat slab …” 

Apoi, această matriţă era şlefuită cu abrazivi pe pietre plate, succesiv pietre de dimensiuni potrivite, până când forma era potrivită („until the surface fitted the gauge”) — adică se verifica cu un şablon sau cu un instrument de măsură a razei de curbură / a formei. 

O alta metoda introdusa pe la jumatatea secoului al 17-lea era decupara formei matritei folosind strunguri speciale care decupau la raza de curbura dorita pas cu pas, iar apoi matrita se slefuia incat sa aiba forma sferica cat mai precisa.

Despre polizare / finisare cu hârtie fină

În textul On Laboratory Arts găsit pe Gutenberg, există o menţiune explicită a polizării prin metoda de „coat the grinding tool with paper … then brush some rouge into the paper.” Adică se acoperea unealta de şlefuire (sau unul dintre tool‑uri) cu hârtie, se pune râșină „rouge” (oxid de fier prelucrat) în hârtie, şi se procedează la lustruire peste suprafaţa de sticlă. 

Fragmentul relevant:

 „Polishing. — The most simple way of polishing is to coat the grinding tool with paper, as will be described, and then to brush some rouge into the paper. The polisher is moved over the work in much the same way as the fine grinding tool, until the glass is polished.” 

3. Combinarea celor două metode

În sursa de la The History of the Telescope (King), se povesteşte cum formă / matriţă mare (2× diametrul lentilei) se şlefuieşte, apoi se polisează, dar nu se menţionează explicit că hârtia fină de carte se folosea în aceeaşi serie de paşi cu măsura de matriţă ×2. Dar să reţinem că metoda matriţei mari este clar atestată, la fel şi polizarea pe hârtie / tool cu hârtie + rouge.

Unele practici moderne (hobby, replică optică) spun că s‑au folosit hârtie veche de ~30 - 15g/mp lipită pe matriţă, pulbere Cerium oxide (CEO2) etc, dar acestea nu sunt documente istorice din secolul XVII, ci adaptări moderne.

Dar hai sa pornin cu metodele pe care le avem:

- Un disc de sticla pana la 96mm diametru grosimea 8mm ( Matrita).

- 3 Trei discuri de sticla 47mm si 52mm maxim pentru o matrita de 96mm .diametru brut

Se pot slefui lentile pana doar la 1,86x din diametru peste aceasta valoare trebuie sa faci rost de o matrita mai mare.

Lentilele de 52mm trebuie slefuite cu atentie si control sporit pentru a avea o suprafata buna la final, sunt putin mai dificil de controlat decat lentiele de 47mm diametru.

- Abrazivi moderni ( Carbura de siliciu, oxizi de aluminiu.

- Pentru polizare hartie veche suptire si neteda de diferite sortimente, hartie mai dura la inceputul polizari si treptat din ce in ce mai fina si neteda)

- Adeziv hobby bazat pe apa pentru lipirea hartiei de matrita

- Pentru polizare se folosetse oxid de ceriu pulbere uscata.

- Hartie suptire si neteda din carti vechi  de ~30 - 15g/mp.

Slefuirea se face treptat cu abrazivi mai grosi la inceput cu o granulatie de 320 si progresezi treptat pana la 9 microni oxi de aluminiu cu granulatie din ce in ce mai fina dupa cum urmeaza: 320, 25 micron,15 micron si 9 microni).

Se ia un caiet si se noteaza fiecare sesiune de slefuit a unei lentile numerotata fata 1 si 2 a lentilei plus timpul de slefuire la fiecare lentila in parte.

Un cronometru este obligatoriu pentru a cronometra timpul de slefuire.

Se ia un bol de plastic sau un lighean mic si se pune apa pana la jumatate in care se clateste matrita si lentilele dupa slefuit, plus sursa de apa pentru slefuit.

Tot timpul trebuie sa fie wet in asa fel incat sa nu inhalam praful de abrazivi pentru ca este daunator plamaniilor si putem dezvolta in timp o boala numita Silicoza.

Deci tot timpul abrazivul si lentila se slefuiesc cu apa pe matrita unde se formeaza o pasta suptire  pe care slefuim.

La final cu 9 microni se ajusteaza distanta focala cu precizie, dar pana atunci vei tot adanci in matrita care devine concava si lentila convexa pe ambele fete.

La inceput se slefuieste mai putin 2 min pe fiecare fata a lentilei ( nr de 3 lentile pe aceiasi fata a matritei) iar treptat cu trecerea de la un abraziv la altul se mareste durata timpului de slefuire pana la 5 - 6 minute / fata a lentilei cu ultimul abraziv.

Pentru a masura focala matritei se foloseste un brat lung din lemn gradat ( pe care se poate prinde un metru) de 5.3m lungime care la capat se monteaza un ecran alb pentru proiectie.

Se introduce martita intr-o galestusa cu apa apoi se focalizeaza Soarele pe ecranul alb miscand matrita inainte si inapoi pe cursa bratului gradat pana aveam o imagine clara a Soarelui focalizata. La inceputul slefuirii va fi chiar la capatul bratului de lemn cu timpul se va tot apropia de ecran. 

Se notaza distanta si se inmulteste cu 2 si ne da practic distanta focala a lentilelor.

In tot acest timp focala matritei se scurteaza pas cu pas si trebuie avut grija sa nu slefuim prea mult cu un abraziv anume pentru a nu depasi prea mult focala pe care dorim sa o atingem si sa nu mai avem timp sa slefuim suficient cu abrazivii mai fini.

Pentru o lentila de 2.5m focala este ok sa ne oprim la 400-380cm distanta focala a matritei cu abraziv 320, apoi pe la vreo 242cm cu 25 micron, apoi 169cm la 15 micron, si la final 125 cu 9 microni adica 2.5m distanta focala.

Acum acesta focala nu este exacta avand in vedere ca slefuim 3 lentile, ultimele doua vor avea focale mai mici decat lentila nr1 sa zicem 2.4 si 2.3m.

Nu putem sa nimerim la fix focala dorita cu aceasta metoda dar cu practica avand in vedere ca dupa timpul acordat slefuirii deja vom cunoaste cat ia din distanta focala un anumit abraziv si de acolo putem deduce ca la ce distana focala sa ne oprim cu un anumit abraziv dupa ce lentila e slefuita bine.

Cu cat slefuim mai mult cu un abraziv cu atat va lua mai putin la ultimele sesiuni din matrita si acesta este un semn ca lentila se finiseaza bine.

Toate aste se noteaza in caiet la finalul unei sesiuni de slefuirea a 3 lentile fata verso se verifica focala matritei si se noteaza distanta focala a matritei obtinuta dupa fiecare sesiune de slefuit a celor 3 lentile.

Dupa fiecare abraziv se inspecteaza lentilele cu o lupa puternia sau un microscop 20x pentru a observa cat de neteda este suprafata iar apoi se decide daca mai trebuie slefuit cu abrazivul in cauza pentru a elimina toate defectele si gropitele lasate in urma de abrazivul anterior.

La slefuire se executa un anumit tip de miscari care sunt repetitive, deci se face o miscare de dute-vino pe centrul matritei cu discul lentilei inainte si inapoi de 4-5 ori apoi se roteste lentila 10 -20 de grade spre dreapta apoi iti schimbi pozitia in jurul postului de lucru in sens invers, ( spre stanga intreg corpul) facand o stationare (adica faci un pas) la 45 de grade spre stanga de 6-7 ori in jurul postului de lucru, apoi continui de la inceput, faci 4-5  miscari cu lentila pana la marginea matritei inainte si inapoi, rotesti lentila 10-20 de grade spre dreapta si faci un pas spre stanga la 45 de grade facand o stationare ( 6-7 stationari in total in jurul postului) si o iei de la capat.

Aceleasi miscari vor fi si la polizare dar mai centrate cu lentila pe centrul matritei nu pana la marginea ei.

Dupa fiecare abraziv este obligatoriu sa fie schimbata apa din galeata in care clatim matrita si lentilele dupa fiecare sesiune de slefuit cu alta noua.

Se arunca toate ziarele pe care punem lentilele, ( se pun altele noi) spalat suportul pe care slefuim bine la ghiuveta.

Clatit bine si spalat bine lentilele + matrita, curatat creionul si carioca folosita pentru a nota timpul si fiecare sesiune de slefuit. Inainte sa incepem cu un nou abraziv totul trebuie sa fie curat, chiar si cronometrul pe care am pus degetul se curata.

Aspecte din timpul slefuirii:

Slefuirea cu abraziv 320

Slefuirea cu abraziv 320

Slefuirea cu abraziv 320

Slefuirea cu abraziv 320

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

Slefuirea cu oxizi de aluminiu

POLIZAREA

Dupa finalizarea slefuirii se inspecteaza lentila sa vedem cat de bine este finisata, ( sa nu mai ramana gropite) trebuie sa vedem prin ea uscata filamentul becului de la birou ( pe intreaga suprafata)

Asta inseamana ca suntem gata de polizat.

Focala prestabilita trebuie sa fie deja atinsa in momentul final al slefuirii ultimele repize de finisat.

Se spala totul bine si se trece la polizat ca in sec al 17-lea.

La inceputul sec al 17-lea se poliza umed pe pasla cu tripoli dar nu este o polizare buna iar dacă trebuie să corectezi forma sticlei, acest lucru nu funcționează bine cu fetrul. Fetrul este prea flexibil și se conformează formei existente a sticlei - chiar și atunci când acea formă este greșită. Hârtia sau smoala oferă suprafețe rigide de polizare, care nu respectă pur și simplu erorile zonale existente.

Se pot conforma mai usor pe sticla.

Se ia un adeziv normal pe baza de apa cu pensula se unge uniform suprafata matritei concave cu un strat subtire si asta in functie de distanta focala a lentilei si matritei se ia in considerare cat de gros sa fie adezivul pe suprafata, apoi se aplica o hartie circulara taiata la acelasi diametru precum matrita se pune pe matrita, se preseaza usor apoi se dezlipeste si ramne un strat uniform si subtire de adeziv pe care aplicam hartia pentru polizat.

Se preseaza bine, apoi se ia lentila se se fac mai multe presari pe surafata hartiei pentru a avea un contact cat mai precis hartie + lentila pe ambele fete ale lentilei.

Se executa niste miscari de polizare dute vino de doua ori de-alungul postului de lucru fara sa apasam, doar greutatea lentilei.

Apoi se asteapta pana se intareste adezivul si se poate poliza, pana in momentul in care hartia nu isi mai face efectul si se uzeaza, apoi trebuie schimbata.

Nu dureaza mult pana lentila este polizata in mai putin de 40 de minute de polizare.

Idea este ca polizarea pe hartie nu lasa o suprafata perfect transarenta precum lentilele de azi polizate pe smoala dar ofera un aspect vintage a lentilelor si ai un control mai bun al suprafetei fata de fetru care este deobicei o polizare bruta.

A final se pot face unele corectii optice pentru o suprafata buna dar lentilele polizate pe hartie ies toate diferit in testele Ronchi, dar daca la apertua utila ai un disc airy clar in ocular si bine definit fara raze esti gata asta e tot ce conteaza.

Hartia dupa polizare cand este uzata si nu mai da randament trebui schimbata altfl vor aparea gropite pe suprafata lentilei.

Pudra de pe polizor se indeparteaza in primul rand cu o periuta fina se pune itnr-un recipient mic.

Se ia un castron mic incat sa incapa matrita se pune apa pana la jumatate si se introduce polizorul, se asteapta 5 min ( depinde de grosimea stratului de adeziv) dupa care hartia se va dezlipi usor, se spala la robinet adezivul ramas pe matrita care va dizolva rapid si apoi se sterge matrita cu un servetel de bucatarie si esti gata sa aplici urmatoare hartie.

Aspecte din timpul polizarii pe hartie

Teste Ronchi

Lentila polizata pe hartie

Lentila polizata pe pasla

Metode originale de manufacturare a lentilelor obiectiv pentru lunete arhaice:

Giuseppe Campani.

 Se crede că Campani a folosit sticlă venețiană, care joacă un rol important în calitatea lentilelor împreună cu tehnicile sale dezvoltate de șlefuire și măiestria detaliată. Sticla era produsă prin topirea la temperaturi înalte a componentelor de sodă, var și silice. Soda era obținută din algele care se uscaseră și se ardeau până la obținerea unei cenușe fine. Varul și silicea erau obținute din pietrișul râului Ticino prin procesul de calcinare, adică încălzire la temperaturi înalte și zdrobire până la pulbere. În ciuda impurităților și bulelor de aer reduse, lentilele lui Campani păreau mai clare, mai netede și mai durabile decât cele produse în Franța în acea perioadă. Potrivit lui de Bondaroy, secretul succesului lui Campani constă în modelul diferit al matrițelor metalice cu grade crescânde de finețe pe care le folosea treptat pentru a transforma sticla în lentilă. El folosea propria sa strungă pentru a modela matrițele, ceea ce nu era unic pentru Campani, dar avea cea mai mare precizie în ajustarea lungimii uneltei. Pentru a șlefui lentila, care era cea mai dificilă parte ce risca deformarea lentilei în sine, folosea hârtie pe care probabil o producea singur pentru acest scop. Pentru a o atașa la model folosea gumă lichidă, limitând gradul de inegalitate a suprafeței, și alegea zile cu temperatură constantă pentru a finaliza șlefuirea.

Analiza Modernă a Lentilelor lui Campani

 Conform analizei lui Molesini asupra lentilelor lui Campani, acestea sunt de calitate excelentă, cu formă sferică, „cu o abatere maximă față de sfera cea mai potrivită de ordinul unei fracțiuni mici dintr-o lungime de undă. Telescopul examinat prezenta astigmatism complementar semnificativ pe cele două suprafețe, rezultând o transmisie fără astigmatism. Mai mult, lentila pare să fi suferit o deformare plastică, datorită montajului constrâns. Deși standardele moderne recomandă o grosime standard de 1/10 din diametru, Campani a produs lentile foarte subțiri (1/20-1/30) cu o formă excelentă a suprafeței, ceea ce ne face să credem că a folosit tehnici foarte delicate de șlefuire și polizare. Toate lentilele sale erau semnate și prezentau urme de pete și zgârieturi, probabil ca rezultat al microfracturilor subsuperficiale care au cauzat desprinderea unor cioburi de sticlă. O investigație a transmisivității optice a arătat că sticla prezenta aceleași caracteristici ca sticla pentru ferestre ( geamuri, float). Comparativ cu lentilele moderne, transmisivitatea generală era mai scăzută, dar totuși comparabilă cu sticla modernă float subtire. Rezoluția se apropie foarte mult de limita de difracție, iar aberația cromatică este minimă, însă turbulențele aerului reduc rezoluția efectivă a lentilei.

Teste optice pe lentila Campani originala 47mm focala 1890mm Museo Galileo

Teste Ronchi pe lentila mea obiectiv realizata acasa replica lentila Campani de la Museo Galileo 47m focala 1890mm.

Lentila obiectiv Campani original 47mm focala 1890mm imagine la microscop Nomarski

Lentila obiectiv Campani originala 47mm focala 1890mm imagine la microscop Nomarski

Luneta Campani originala 47mm focala 1890mm Museo Galileo - parametrii

Luneta Campani 47mm focala 1890mm Museo Galileo

Luneta Campani 47mm focala 1890mm Museo Galileo

Luneta Campani 47mm focala 1890mm Museo Galileo

Luneta Campani 47mm focala 1890mm Museo Galileo