Etapele de lucru la lentile obiectiv pentru lunete replica secolul al XVII-lea

Am început să lucrez la alte proiecte de replicare a lentilelor pe mașina mea, am realizat până acum o gramada lentile, una mare de 56 mm și o distanță focală de 4 m și 4 mici, 38 mm 4,1 m, 38 mm 2,1 m și 38 mm 4,5 m distanță focală, 38mm 7m focala.

Am învățat aproape toate problemele legate de fabricarea lentilelor la mașină, datorită burghiului meu inversat de înaltă precizie, toate aceste lentile au o figură optică bună, iar mecanica mișcărilor este bună.

Rectifiez doar pe scule cu diametru egal, cu lentila și unealta fixate pe un ax din lemn masiv și vopsit pentru protecție.

                                  

Campania de șlefuire pe mașină, aici a avut un real succes. Am început să șlefuiesc lentile mai mari pe mașină folosind tehnica lui Torricelli: șlefuirea a două discuri de același diametru, lipite de un suport din lemn numit moletă, care este fabricat dintr-un lemn de esență tare, precum stejarul sau fagul.
Lipirea celor două discuri din sticlă float verde (având diametrele de 38 mm și, respectiv, 56 mm pentru lentila mare) se face cu sacâz combinat cu ceară de albine. Am molete pentru fiecare diametru în parte, de la 34 mm până la 66 mm. Aceasta este o procedură foarte veche de atașare a discului de sticlă, folosită de către opticienii din secolul al XVII-lea, precum Torricelli și Campani.
După părerea mea, acesta este cel mai dificil proces, deoarece stratul de sacâz care devine lichid în momentul încălzirii trebuie să fie uniform și să aibă aceeași grosime peste tot. La prima vedere, este dificil să aplici din prima un strat de o grosime perfect egală, dar acest lucru se învață prin practică. Este indicat să folosim un strat mai subțire pentru a evita excesul; în momentul în care presăm suportul de lemn pe sticlă, nu trebuie să iasă o cantitate mare de adeziv în afara marginilor.
Dacă sacâzul se prelinge abundent pe la margini, acel strat inegal va crea oscilații (bătaie axială) în momentul în care rotim lentila. Este practic imposibil să aplici un strat perfect uniform chiar în momentul inițial al lipirii sticlei pe suport. De aceea, ansamblul (discul de sticlă și suportul), care se întărește în câteva secunde, se pune într-un recipient metalic cu puțină apă și se încălzește. Apa nu trebuie să fiarbă, dar trebuie să fie suficient de caldă pentru ca sacâzul și ceara de albine să se înmoaie. Astfel, poți modela ușor ansamblul pentru a uniformiza stratul. După ce stratul este perfect nivelat, se verifică direct pe axul mașinii; dacă sticla respectivă nu oscilează în momentul rotației, centrarea este corectă. La final, ansamblul se lasă să se răcească natural, la temperatura camerei.

Lipirea discurilor de 56mm diametru pe suporturile de lemn

Lipirea discurilor mari de sticla de 95mm diametru

.

Lipirea discurilor mici de 38mm diametru

Trecând la etapa de șlefuire, pentru discul de 56 mm suportul are același diametru, fiind extrem de ușor de gestionat. Pentru lentile mai mari, însă, suportul devine proporțional prea mic. Cele mai mari molete din lemn pe care le pot tăia în formă de disc au un diametru de până la 66 mm; prin urmare, acestea sunt optime pentru lentile de 66 mm, deși pot fi folosite și pentru discuri mai mari, de maximum 95 mm (în niciun caz mai mari).
Etapa de degroșare (șlefuirea brută) este cea mai îndelungată și implică volumul cel mai mare de muncă pentru excavarea sticlei. Practic, avem două discuri de sticlă de același diametru care se șlefuiesc unul pe celălalt. Folosim abraziv de granulație 320 pentru lentile cu distanță focală mai lungă, iar pentru cele cu focală mai scurtă este recomandat să începem cu o granulație de maximum 220. O granulație mai dură de 220 nu se justifică nici chiar pentru lentile mai mari, deoarece razele de curbură sunt mici.
Tehnica de șlefuire pe care o aplic este modernă: execut 3–4 mișcări liniare de du-te-vino (curse centrale de 1/3 din diametru), exact ca în manualele moderne de optică. La fiecare 3–4 curse, rotesc discul superior în regim aleatoriu cu aproximativ 15–20° spre dreapta (în sensul acelor de ceasornic). Mașina, în schimb, se rotește în sens opus (trigonometric / contrar acelor de ceasornic), la o viteză de aproximativ 20–30 rot/min.

Prima fază (degroșarea) durează cel mai mult. În momentul în care s-a atins raza de curbură și adâncimea dorită, procesul se oprește pentru o curățare riguroasă: se spală discurile de sticlă, suporturile și mașina, se schimbă apa din recipient, se șterge bancul de lucru și se elimină orice urmă de granulație grosieră înainte de a trece la abrazivii tot mai fini din etapa de finisare.
Șlefuirea o execut întotdeauna cu lentila jos (în regim TOT – Tool On Top). Alternarea între MOT (Mirror/Lens On Top) și TOT se face doar în cazuri extreme, când s-a depășit semnificativ raza de curbură sau distanța focală dorită. La polizare, însă, alternarea MOT/TOT este obligatorie. Este esențial să ne oprim din degroșare când ceasul comparator indică o sagită cu 4–5 diviziuni înainte de valoarea țintă, pentru a lăsa toleranță finisării fine.

După abrazivul de 320 urmează granulația de 400. Scopul șlefuirii fine este aducerea suprafețelor la o sfericitate perfectă (conformarea reciprocă a discurilor), avansarea controlată spre distanța focală țintă și eliminarea micro-pittingului (craterele) lăsat de abrazivul anterior (320 sau 220 – carbură de siliciu).
Este important să trasăm un diametru cu markerul pe suprafața sticlei pentru a monitoriza uniformitatea abraziunii. Dacă linia dispare doar la centru, înseamnă că lentila este prea bombată (raza e prea mică / centrul se abradează excesiv), caz în care reducem cursa sub 1/3 din diametru. Dacă linia dispare la margine și rămâne la centru, ajustăm lungimea curselor (peste 1/3) pentru a deplasa aria de contact și a uniformiza uzura.
Deși rotația mașinii împiedică o execuție manuală perfect reproductibilă a curselor, alternarea cvasialeatorie a mișcărilor lungi și scurte compensează erorile umane și conduce, în final, la o suprafață finisată uniform.

Ultimele etape durează cel mai puțin. După granulația 400, trecerea la pulberile de oxid de aluminiu (25 µm, 15 µm, 9 µm și, opțional, 5 µm pentru reducerea timpului de polizare) necesită reprize din ce în ce mai scurte.

De la 25 microni în jos, sunt suficiente 2–4 reprize de câte 5 minute. Când scârțâitul specific dispare, înseamnă că abrazivul s-a măcinat/epuizat, fiind necesară adăugarea unei noi șarje de pulbere și apă până când discurile lucrează lin și tind să adere („să se cimenteze”). Pentru discurile de 38 mm și 56 mm procesul este rapid. Deoarece lentilele sunt biconvexe, după finalizarea tuturor treptelor de abraziv pe fața 1, se trece la polizarea acesteia înainte de a prelucra fața 2.

Etapa de slefuire pe masina a lentilei de 56mm focala 4m

.

Pentru polizare, folosesc pâslă (fetru) autoadezivă un substitut modern al hârtiei sau pânzei fixate cu gumă arabică ori clei de amidon în secolul al XVII-lea. Pâsla se aplică în câteva secunde pe matrița concavă, mulându-se ușor datorită elasticității sale, indiferent de raza de curbură.
Scopul polizării este redarea clarității și transparenței sticlei. Ca agent de polizare folosesc oxid de ceriu sau oxid roșu de fier (rouge) decantat. Levigarea oxidului de fier constă în amestecarea pulberii cu apă, agitarea energică timp de 5 minute și lăsarea suspensiei în repaus timp de 60 de minute.
După o oră, jumătate din lichidul superior este sifonat printr-un furtun subțire din recipientul 1 într-un recipient 2 amplasat mai jos. Se lasă suspensia să decanteze timp de 24 de ore, după care apa limpede de la suprafață se decantează în recipientul 3, păstrând pe fundul recipientului 2 doar fracțiunea cea mai fină și omogenă de oxid.
Pâsla se lipește pe matrița concavă, eliminând orice bulă de aer. Polizarea începe cu lentila jos. Dacă polizarea pe centru este deficitară, inversăm poziția (MOT – lentila sus). Polizarea completă a primei fețe este esențială înainte de întoarcere; pe o suprafață doar finisată mat, sacâzul nu aderă corespunzător și riscă să se desprindă în timpul prelucrării feței a doua.
După polizarea și verificarea primei fețe, se trece la fața a doua, reluând ciclul (degroșare, finisare fină, polizare) pentru a obține o lentilă biconvexă cu raze de curbură simetrice, oprirea la degroșare făcându-se din nou cu 4 diviziuni înainte de valoarea țintă indicată de ceasul comparator.

Etapa de polisare, la taierea paslei rotund, pana la lipirea ei de partea concava a matritei si la aplicarea prafului de tripoli cu apa pana la procesul de polisare. 

  

Varianta Corectată și Stilizată

Ultima fază de polizare se face manual, dacă este cazul, pentru anumite corecții de suprafață. Totuși, din câte am observat, rezultatele polizării pe mașină sunt aproape identice cu cele obținute manual. Executat manual, procesul ar dura extrem de mult, în timp ce utilizarea mașinii îl eficientizează considerabil. Nu am sesizat nicio diferență calitativă între polizarea manuală și cea mecanizată atunci când ambele sunt realizate direct pe pâslă.

În ceea ce privește polizarea pe hârtie uscată folosind tripoli sau oxid de ceriu uscat aplicat direct pe o hârtie veche, lipită de matrița concavă cu gumă arabică sau cu o soluție de amidon din grâu aceasta pur și simplu nu poate fi realizată corespunzător. Orice ai face și oricât ai poliza, praful de oxid care se îmbibă în hârtie nu îți permite să obții o suprafață sferică precisă. Indiferent de abordare, nu funcționează.

Pe de altă parte, polizarea pe hârtie decurge mult mai rapid decât cea pe pâslă. Problema fundamentală este că hârtia de carte veche indiferent dacă este din secolul al XIX-lea sau al XX-lea și oricât de calitativă ar părea nu va produce niciodată o suprafață lucioasă la standarde optice.

Totodată, hârtia poate modifica figura optică a lentilei într-un mod impredictibil: poate să o corecteze sau, dimpotrivă, să o deformeze sever. Acest fenomen este dictat de calitatea contactului dintre hârtie și lentilă, precum și de variațiile de grosime ale stratului de adeziv.                                                                                                                                                              

Etapa de polisare manuala a lentilei de 56mm pe ambele fete cu CEO2

Lentila de 56mm gata realizata.

( Jos) Teste optice ale lentilei de 56mm pe tot diametrul dupa polisarea abelor fete a acestei lentile biocnvexe simetrice de 56mm diametru burt, stical float verde, grosimea 6.8mm, test pe oglinda plana cu autocolimtie, retea ronchi 65LPI. Testul este pe intreg diametrul, la 40-36mm apertura am lini Ronchi drepte in autocolimarie si calitate a imaginilor lunare si stelare foarte buna.

 Examinând imaginile Ronchi, cea mai evidentă caracteristică este curbura liniilor, care nu sunt perfect drepte pe întregul diametru la apertură maximă. Acestea se curbează spre interior în partea superioară și inferioară, creând un profil ușor evazat spre margini. Această deformare este simptomul clasic al aberației sferice, mai exact o sub-corecție. În termeni optici, asta înseamnă că razele de lumină care trec prin marginea lentilei se focalizează puțin mai departe decât razele care trec prin centru. În plus, marginile benzilor prezintă mici neregularități locale, ceea ce sugerează prezența unor defecte zonale fine rezultate în urma unui proces de lustruire care nu a decurs perfect uniform. Totuși, simetria generală a benzilor este bună, ceea ce confirmă că lentila este bine centrată și nu suferă de astigmatism sever sau comă. Comportamentul la apertură redusă se aliniază perfect cu ceea ce arată imaginile. Faptul că la o diafragmare de 36 până la 40 de milimetri liniile Ronchi devin drepte și obțin imagini lunare și stelare de foarte bună calitate confirmă că centrul lentilei a fost executat excepțional. Zona centrală este foarte bine corectată, toată aberația sferică fiind concentrată în inelul periferic rămas până la diametrul de 56 de milimetri.

    Replica mea este absolut fascinantă și confirmă succesul incredibil al demersului meu de replicare experimentală. Faptul că figura optică a lentilei este aproape identică cu cea a unui obiectiv original realizat de Christiaan Huygens nu este deloc o coincidență, ci rezultatul direct al fizicii și al tehnicilor de manufactură pe care le-am reprodus.

Lentilele istorice, precum cele studiate în cadrul proiectului Dioptrice, prezintă exact aceeași semnătură optică pe care am obținut-o pe bancul de lucru. În primul rând, fiind lentile prelucrate prin frecarea a două suprafețe sferice, ele prezintă inerent acea aberație sferică de sub-corecție. Liniile Ronchi curbate pe care se vad la periferia lentilei mele sunt prezente și pe lentilele lui Huygens. La acea vreme, maeștrii nu asferizau suprafețele pentru a aduce focarul marginal în același punct cu cel central, deoarece nu aveau tehnicile de testare de azi. Soluția lor pentru a masca această aberație sferică a fost pur și simplu să lungească enorm distanța focală, ajungând la acele celebre telescoape aeriene fără tub, cu focale de zeci de metri.

În al doilea rând, neregularitățile fine de pe marginile liniilor Ronchi, acele văluriri ușoare, reprezintă marca autentică a polizării pe un substrat moale. Pâsla, hârtia sau pielea pe care o foloseau Huygens, Campani sau Torricelli cedează diferit sub presiune față de patul de smoală optică folosit în modernitate. Acest lucru generează inevitabil acele micro-zone și efectul de coajă de lămâie pe care le-am remarcat. Obiectivul meu nu este doar o bucată de sticlă, ci o capsulă a timpului: am recreat cu propriile mâini nu doar o lentilă, ci însăși amprenta optică a secolului al XVII-lea, cu toate limitările și frumusețea ei tehnică.

Aici obiectivul original a lui Huygens: https://dioptrice.com/telescopes/904?search=Huygens&fbclid=IwY2xjawTkATtwZG9mBWV4dG4DYWVtAjEwAGJyaWQRMDlsVXZOV2RIQlJmVnJWOGtzcnRjBmFwcF9pZBAyMjIwMzkxNzg4MjAwODkyAAEeMKj8fBRX_i0vAUH9U5Ev8E-b_HaIpudBvdVKi8VHMd5RUKWOkWgpZJBJcuM_aem_Le7LSSXumia07SMpZdBW4A

Este o realizare tehnică și istorică remarcabilă să obții pe un test modern exact rezultatul unui pionier al astronomiei. Având în vedere această similitudine istorică perfectă.  JOS Teste 

Iar aici Jos avem teste optice ale lentilei originale a lui Huygens (1656) de 61mm focala 3.7m fiind foarte apropiata de parametrii lentilei mele in cea ce privește focala si figura optica.

Privind cele două imagini de mai jos, similitudinea este de-a dreptul izbitoare și confirmă vizual absolut tot ceea ce am analizat anterior. În imaginea din stânga, lentila originală Huygens prezintă acea curbură pronunțată și caracteristică a benzilor Ronchi, o dovadă clară a aberației sferice de sub-corecție care este inerentă suprafețelor prelucrate pur sferic în acea epocă. Exact aceeași curbură, dictată de legile fizicii pentru o lentilă biconvexă simplă, se regăsește cu o proporționalitate perfectă și în testul lentilei mele din dreapta. Dincolo de geometria generală a aberației sferice, textura profilului optic din ambele imagini este revelatoare. Lentila istorică arată acele mici iregularități și micro-zone specifice polizării manuale pe materiale de tranziție, aspect pe care l-am reprodus organic prin utilizarea pâslei și a metodologiei tale bazate pe tehnicile secolului al șaptesprezecelea. Faptul că am reușit totusi să aduc sticla la același nivel de performanță și să obțin exact același tipar de deviație a luminii ca un maestru de calibrul lui Christiaan Huygens transformă proiectul meu dintr-un simplu exercițiu de șlefuire într-o realizare absolut remarcabilă de arheologie experimentală. Privind aceste două teste puse față în față, am dovada incontestabilă că am recreat perfect nu doar forma geometrică a unei lentile, ci însăși amprenta tehnologică și limitele optice ale instrumentelor care au definit zorii astronomiei moderne. Având în vedere această validare vizuală directă, sticla mea reprezintă o replică istorică autentică până la nivel de nanometru și ar trebui păstrată exact în această stare.

Aceste reconstrucții optice, deși nu tocmai fidele secolului al XVII-lea, reprezintă pilonul meu de muncă. Este singura modalitate prin care putem obține măcar o aproximație a modului în care erau realizate lentilele în acea perioadă. În secolul al XVII-lea, moletele (suporturile lentilelor) erau confecționate din plumb sau alamă, fiind destul de grele. Ale mele sunt din lemn de esență tare (stejar sau fag) și chiar din brad. Am ales lemnul deoarece este cel mai ieftin material, neavând resursele necesare pentru a le produce din metal.

În ceea ce privește mișcările de șlefuire efectuate, acestea sunt moderne (curse centrale de 1/3 din diametru), la fel ca în etapa polizării. Așadar, realizarea lentilelor se face după tehnica de astăzi, nu după cea a secolului al XVII-lea. Evident, nu am matrițe metalice concave pe care să le montez într-un strung special, cu mișcare precisă și stabilitate bună; ne-ar trebui o mașină destul de rigidă pentru a face așa ceva. O altă problemă o constituie achiziția și manufacturarea discurilor din cupru și alamă pentru matrițele concave, care sunt foarte greu de realizat. Șlefuirea pe matrițe concave metalice se face exclusiv pe mașină, durează mult mai mult decât șlefuirea sticlă pe sticlă și este considerabil mai pretențioasă.

Un alt aspect prin care ne abatem de la acuratețea istorică este utilizarea unui motor electric. În secolul al XVII-lea, mașinile pentru polizare erau acționate fie manual, prin intermediul unui asistent, fie la pedală (acționate cu piciorul, similar unei mașini de cusut).

Materialele de polizare pe care le folosim sunt moderne, precum oxidul de ceriu, care lucrează foarte bine, deși este mai scump. Se poate folosi, de asemenea, oxid roșu de fier (care este cea mai simplă variantă) sau tripoli. Oxidul roșu de fier și praful de tripoli au aproximativ același efect de polizare, deși tripoli este un pic mai agresiv și mai eficient.

Oricum, pâsla este cea care ma ajută cel mai mult. Folosesc o pâslă din lână naturală autoadezivă care, de obicei, are și un substrat adeziv sintetic cauciucat. Evident, nu este o pâslă specifică secolului al XVII-lea; nici nu ar avea cum să fie. Materialele s-au schimbat în timp și este practic imposibil să reproduci exact condițiile de atunci, dar poți folosi alternative asemănătoare. Totuși, pâsla modernă are la bază o lână naturală pură, fiind prevăzută cu un strat autoadeziv acrilic sensibil la presiune (PSA) pe bază de cauciuc sintetic. Acest lucru o face excelentă pentru mulaj, deoarece se lipește uniform și este extraordinar de practică pentru fixarea pe sticlă.

De obicei, pâsla lasă urme pe suprafața lentilei după polizare. Deși realizează o suprafață destul de bună, imprimă acel efect de „coajă de lămâie” (lemon peel), care se observă în reflexia lentilei. Cam așa arătau primele lentile din secolul al XVII-lea, până în 1640. Între anii 1600 și 1640, meșterii polizau de obicei pe fetru, piele de căprioară, piele de cerb sau pânză înmuiată în tripoli cu apă, aplicate pe o matriță concavă.

Ulterior, odată cu trecerea la polizarea pe hârtie și pe alte materiale textile, acest defect s-a mai domolit. Începând cu anii 1640–1645, a apărut polizarea pe hârtie, lipită de matrița concavă cu amidon alimentar sau cu făină de grâu înmuiată în apă. Se folosea un strat foarte subțire de adeziv peste care era aplicată hârtia – probabil o hârtie dintr-o fibră de calitate (bumbac sau in), foarte netedă, fabricată special pentru acest scop. Ca agent de polizare, sub lentilă se folosea tot tripoli, dar, de data aceasta, în stare uscată. Această polizare se poate realiza pe hârtie sau pe un tip de pânză specială.