Sphärometer

Ein Sphärometer ist ein Präzisionsinstrument zur Messung der Sagitta, der Krümmungstiefe auf einer sphärischen oder annähernd sphärischen Oberfläche. Es besteht aus einer zentralen Spindel mit einer feinen Gewindesteigung, umgeben von drei in einem Dreieck angeordneten Füßen, die auf der Messfläche aufliegen. Beim Drehen der Mikrometerschraube senkt sich die Spindel ab, bis sie die Höchstlage der gekrümmten Fläche berührt, und die Anzeige zeigt die vertikale Verschiebung. Diese einzelne Messung ermöglicht die Berechnung des Krümmungsradius ohne aufwendige mathematische Berechnungen.

Der klassische Sphärometer hat drei Beine mit einem Abstand von etwa 50 bis 80 mm, mit analoger oder digitaler Anzeige in Abstufungen von 0,01 mm oder feiner. Wenn alle drei Füße auf einer ebenen Oberfläche aufliegen, zeigt die Spindel null an. Das Instrument auf eine gekrümmte Fläche (Linse, Spiegel oder polierte Komponente) legen, die Spindel senken, bis sie die Höchstlage gerade berührt, und die Sagitta direkt ablesen. Der Krümmungsradius R wird dann aus der Sagitta h und den Abmessungen der Dreiecksbasis ermittelt. Hochwertige Versionen nutzen digitale Elektronik mit Anzeigen, die genau auf 0,001 mm sind, erforderlich für präzise optische Arbeiten.

Beim Schleifen und Polieren von Linsen schützt der Sphärometer vor Überkorrektur und Beschädigungen der Unterseite. Optische Werkstätten nutzen ihn wiederholt, während sich eine Fläche ihrer Sollfertigung nähert, um zu bestätigen, dass der Radius der Konstruktionsvorgabe entspricht, typischerweise zwischen 10 mm und mehreren hundert Millimetern. Spiegelhersteller setzen Sphärometer bei parabolischen und hyperbolischen Substraten ein, um die Gesamtsphäre vor dem letzten Verarbeitungsschritt zu überprüfen. Das Werkzeug ist auch bei der Qualitätskontrolle von fertigen Optiken unverzichtbar: Eine Abweichung von nur 0,1 mm in der Sagitta kann die Brennweite einer Linse um mehrere Prozent verschieben.

Häufige Fehler und Pflege

Bedienerfehler sind häufig. Die drei Füße müssen festen, ebenen Kontakt mit der Arbeitsfläche haben, sonst wird die Messung unzuverlässig. Verschmutzungen oder Staub an den Füßen oder der Spindelspitze verfälschen die Messung nach oben. Übermäßige Kraft auf die Mikrometerschraube kann das feine Gewinde beschädigen oder den Rahmen verbiegen. Temperaturdrift spielt auch eine Rolle: Ein Anstieg um 5 Grad Celsius kann das Gerät so sehr ausdehnen, dass sich die Messwerte bei engen Toleranzen um 0,02 bis 0,05 mm verschieben. Sphärometer und Messobjekt immer auf Raumtemperatur ausgleichen, bevor gemessen wird.

Der Name leitet sich vom Griechischen sphaira, Kugel, und metron, Maß, ab. Das Instrument ist seit dem frühen 19. Jahrhundert in Gebrauch und hat sich prinzipiell kaum verändert, obwohl digitale Versionen in vielen Laboren mechanische Messuhr-Anzeigen ersetzt haben. Es nimmt eine einzigartige Stellung in der Optik ein: schneller und einfacher als Interferometrie der kompletten Fläche, aber weit präziser als eine Radiuslehre oder einfache Schablonenkontrolle. In Produktionsumgebungen mit hunderten Linsen pro Schicht ist der Sphärometer oft die einzige praktikable Kontrolle zwischen Rohform und fertigen Vorgaben.