Wie und warum werden optische Elemente miteinander verklebt?
Die Herstellung von optischen Elementen unterliegt – wie alle Fertigungsprozesse – technischen Limitierungen, welche die herstellbaren Eigenschaften beschränken. Um das Spektrum an herstellbaren optischen Eigenschaften in Linsenelementen zu erweitern ist man bereits recht früh dazu übergegangen diese miteinander zu kombinieren. Da sich jedoch an den Übergängen von Luft zu Glas Licht bricht und dies nicht immer erwünscht ist musste eine Lösung gefunden werden durch die optische Elemente ohne einen Luftspalt miteinander verbunden werden konnten. Hierzu hat man früher sogenannten Balsam (ein aufbereitetes Baumharz) genutzt, da es einen mit Glas nahezu identischen Brechungsindex aufweist.
Bei moderneren Linsenkonstruktionen werden aber inzwischen ein- oder mehrkomponentige Klebstoffe eingesetzt, welche einige technische Vorteile bieten. Zum Beispiel unter UV-Licht aushärtende Klebstoffe, die es erlauben eine Justage der Elemente zueinander mit noch nicht ausgehärtetem Klebstoff vorzunehmen und den Klebstoff präzise – sozusagen auf Knopfdruck – aushärten zu lassen in dem man ihn mit UV-Licht belichtet.
Sowohl bei den mittels herkömmlichem Balsam, als auch bei mittels moderneren Klebstoffen hergestellten Doubletten (miteinander verklebten Linsenelementen) kann es jedoch aufgrund von Alterungserscheinungen zu Beeinträchtigungen kommen. Diese können sich äußern in Form von Verfärbungen, Trübungen oder bei teilweiser Trennung der Elemente auch als Schatten oder muschelähnliche Erscheinungen (optisch ähnlich wie eine Bruchfläche in Glas) in der Kleberschicht der betroffenen Doublette.
Die daraus resultierenden negativen Einflüsse auf die Abbildungseigenschaften können ein weites Spektrum aufweisen, von nicht wahrnehmbar, bis zum Verlust von Kontrast und dem Auftreten von Schatten im Bild. Diese sind insbesondere bei ungleichmäßiger Separation störend.
Aufgabenstellung:
Die Reparatur entsprechender Doubletten ist an und für sich simpel. Die Ausführung birgt jedoch einige Risiken und Stolpersteine und sollte bei hochwertigen Objektiven Profis überlassen werden. Wenn der Totalverlust des Objektivs jedoch verschmerzbar ist, kann sich durchaus jeder Laie daran versuchen.
Die erste Herausforderung besteht darin das betroffene Objektiv soweit zu zerlegen, dass die betroffene Doublette entnommen werden kann um eine Trennung der Elemente voneinander vorzunehmen. Dies gestaltet sich je nach Objektivkonstruktion unterschiedlich schwierig. Es ist vorteilhaft entsprechende Reparaturanleitungen, die oftmals nach einer entsprechenden Recherche online auffindbar sind sorgfältig zu studieren um eine Beschädigung zu vermeiden. In der Regel besteht ein Objektiv jedoch aus vier Hauptbestandteilen:
- Gehäusebaugruppe
- Blendenmechanismus (ggf. auch Verschluss bei Objektiven mit Zentralverschluss)
- vordere Linsengruppe
- hintere Linsengruppe
Dabei ist in der Regel der Blendenmechanismus fest mit dem Gehäuse verbunden und die vordere Linsengruppe von vorne und die hintere Linsengruppe von hinten in das Objektivgehäuse eingeschraubt. Dieser Aufbau ist am einfachsten anhand von Objektiven die in Fachkameras eingesetzt werden zu begreifen, da diese in der Regel kein umliegendes Gehäuse aufweisen:
Das hier beispielhaft reparierte Objektiv folgt im wesentlichen auch diesem Aufbau, so dass die komplette hintere Baugruppe nach Entfernen des Flansches einfach heraus geschraubt werden kann.
Bei der Demontage jeglicher Objektive ist Vorsicht geboten. Insbesondere Objektive mit sogenannter Spring- oder Automatikblende oder Zentralverschlüssen enthalten zahlreiche kleine Kügelchen, Federn und Hebelchen die für uns zunächst nicht relevant sind, aber leicht beschädigt werden oder verloren gehen können. Mit der Zeit entwickelt man ein Gefühl dafür wie viel Kraft man für die filigranen Schrauben aufwenden kann und wo ggf. noch ein weiteres, nicht sichtbares Sicherungselement eine Demontage verhindert. Bis sich dies jedoch ausgeprägt halt gilt das Gebot der Vorsicht!
Insbesondere Objektive japanischer Hersteller bergen eine weitere Stolperstelle, die sehr leicht etliche Stunden filigraner Reparaturarbeit nach sich ziehen können: JIS Schrauben. Diese sehen zunächst einmal aus wie herkömmliche europäische Philips Kreuzschrauben, haben jedoch ein anderes Profil und können mit Philips Schraubendrehern sehr leicht rund gedreht werden. Wer also vermeiden möchte damit konfrontiert zu werden eine M1,5 Schraube aus Aluminium ausbohren zu müssen und anschließend ein M2 Gewinde als Reparaturlösung in diese Bohrung schneiden zu müssen dem sei die Investition in ein einfaches Set JIS-Schraubendreher wärmstens ans Herz gelegt. Das soll keine Werbung sein, aber da diese in Europa nicht leicht zu finden sind an der Stelle der Hinweis dass ich ein Set No. 9902 vom Hersteller Vessel verwende.
Aber das soll kein Artikel über das zerlegen von Objektiven werden, den kann ich bei Gelegenheit aber auf einmal schreiben. Insbesondere zur Reinigung von verölten Springblenden oder zur Reparatur verharzter Zentralverschlüsse könnte dies spannend sein.
Eine äußerst hinderliche Besonderheit an dem hier exemplarisch reparierten Objektiv sei jedoch noch erwähnt: Die eigentliche Doublette ist nochmals in ein Gehäuse eingefasst worden, in dem nach der Herstellung eine hauchdünne Krempe umgewalzt wurde um die Doublette dauerhaft in diesem Gehäuse zu fixieren (vergleichbar dem Einfassen von Edelsteinen in Schmuck). Diese muss vorsichtig aufgebogen werden um die Doublette entnehmen zu können. Das habe ich hier mit der Spitze einer stumpfen Klinge eines Bastelmessers getan. Dabei wird zwar die schwarze Beschichtung auf der Außenseite der Doublette verkratzt, diese kann aber nach erfolgreicher Reparatur problemlos nachgeschwärzt werden.
Die verklebten Elemente separieren
Nach dem erfolgreichen Ausbau der Doublette gilt es jetzt also diese in ihre Bestandteile zu zerlegen. Dazu muss die Kleberschicht zwischen den beiden Elementen gelöst werden. Vorher muss allerdings die Position der beiden Elemente zueinander markiert werden, damit diese in der selben Orientierung wieder montiert werden können. Hierzu bringe ich an einer Stelle einen einzelnen Strich, an einer weiteren zwei Striche und an einer dritten drei Striche an. So kann sowohl ein Verdrehen, als auch ein umgekehrtes Einsetzen eines Elementes verhindert werden.
Bisher habe ich zum Trennen verschiedene Methoden versucht, vom Bad in Wasser, über Isopropanol bis Aceton (Vorsicht bei modernen, beschichteten Objektiven!) warm, kalt oder im Ultraschallreiniger, nichts davon hat auch nur ansatzweise funktioniert. Entweder kann der Kleber damit nicht gelöst werden, oder die Angriffsfläche von der Seite ist einfach zu klein. Was sich bewährt hat ist das Erhitzen im Backofen. Dabei ist jedoch äußerste Vorsicht geboten, denn ein zu abruptes erhitzen (oder abkühlen!) der Linsenelemente kann diese zerspringen lassen. Insbesondere im noch verklebten Zustand kann bei unterschiedlich dicken Elementen das Erhitzen oder Abkühlen ungleichmäßig stattfinden und für Sprünge in Folge zu großer Temperaturdifferenzen sorgen.
Ich heize meinen Backofen nicht vor, lege also die Doublette in den kalten Backofen auf einem Stück Alufolie auf einen Rost in der mittleren Schiene und heize diesen im Heißluftbetrieb zunächst auf 50°C auf. Bei dieser Temperatur lasse ich die Doublette ca. 10 Minuten liegen, damit sie sich aufheizt (die Wärmeübertragung von Luft auf Glas und die Wärmeleitung innerhalb des Glas dauert ein wenig). Danach auf 100°C, 150°C und 200°C. So ab ca. 180°C wird der Kleber weich, so zumindest meine Erfahrung mit den Klebstoffen in den Objektiven die ich auf diese Art und Weise bisher repariert habe (Mamiya Sekor C 80mm 1:1.9 N, Mamiya Sekor C 80mm 1:2.8 N, Mamiya Sekor Shift C 50mm 1:4 und ein Vivitar 17mm 1:3.5 für Minolta SR-Bajonett).
Dann kann die Doublette mit einem Tuch entnommen werden (Vorsicht heiß!) und die beiden Linsen vorsichtig gegeneinander verschoben werden. Das wird jedoch ab einem Versatz von ca. 1/3 des Durchmessers sehr schwergängig, hier sollte man aufhören und das Element wieder in den Backofen legen zum erneuten aufheizen. Denn durch den ausgeübten Druck beim Verschieben der Linsen wird die Kleberschicht immer dünner und die Linsen saugen sich quasi aneinander fest, zusätzlich dazu kühlt der Kleber währenddessen stetig ab und wird wieder fest. In diesem Stadium darf auf keinen Fall versucht werden die Linsen durch Druck auf die versetzten Kanten voneinander zu trennen! Dies kann den Bruch eines der Linsenelemente zur Folge haben. Besser ist es nach dem erneuten erwärmen die Linsenelemente wieder zurück zu schieben. Dabei lösen sie sich sprungartig voneinander (Vorsicht, nicht fallen lassen!).
Zum Abkühlen sollten die Elemente auf keinen Fall an der ruhenden Luft, oder gar bei Zugluft frei liegen bleiben, dies kann zu starke Temperaturwechsel nach sich ziehen. Ich wickele diese in ein Küchen- oder Mikrofasertuch ein um ein langsames Abkühlen zu gewährleisten und ein Springen der Elemente zu vermeiden.
Die Reinigung
Nun gilt es die beiden Linsen von den Rückständen des Klebers zu reinigen. Hierfür hat sich bei mir eine Mischung aus ca. 70% Isopropanol und 30% destilliertem Wasser bewährt (kann man auch fertig kaufen). Damit befeuchte ich Wattestäbchen und entferne nach und nach den Kleber. An dieser Stelle rächt es sich falls man die Elemente zu lange im Backofen hatte, denn richtig ausgetrockneter Kleber wird nicht nur braun, sondern auch hart und ist sehr schwer zu entfernen (aber machbar). Bei der Reinigung ist auch vorsichtig vorzugehen um Kratzer zu vermeiden. Insbesondere bei modernen Objektiven sind die Außenseiten der Doubletten in der Regel beschichtet. Diese Beschichtungen und manchmal auch die eingesetzten Glassorten sind relativ weich (da sie üblicherweise im Inneren der Objektive ja auch keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind). Ich nutze als Unterlage weiche Mikrofasertücher, die regelmäßig ausgetauscht und gereinigt werden.
Ist die Kleberschicht entfernt muss eine letzte Reinigung vor dem Verkleben vorgenommen werden. Hierfür verwende ich in der Regel spiritushaltigen Fensterreiniger. Wird dieser mit Wattestäbchen abpoliert bleiben keine Rückstände mehr auf den Elementen zurück die eine Verklebung beeinträchtigen könnten. Aceton ist hierfür sicherlich auch geeignet, allerdings kann das die Beschichtung der Gläser oder mittels Lackstift aufgebrachte Markierungen auflösen. Hier ist also ebenfalls Vorsicht geboten.
Verkleben
Das Verkleben ist eigentlich die einfachste Arbeit, vorausgesetzt die Vorarbeiten wurden alle mit der gebotenen Sorgfalt vorgenommen. Die zu verklebenden Glasflächen müssen absolut frei sein von Fett und anderen Rückständen. Stehen die entsprechenden industriellen Reinigungsverfahren wie z.B. Plasmareinigung nicht zur Verfügung muss mit entsprechenden Lösungsmitteln gearbeitet werden (siehe vorheriger Abschnitt).
Ein wichtiger Hinweis: Bei manuellen Verkleben können sowohl die optische Zentrierung, als auch die Dicke der Klebeschicht nur mittels hemdsärmeliger Hilfsmaßnahmen rudimentär kontrolliert werden. Entsprechende negative Auswirkungen auf die Abbildungsleistung können also auftreten. Persönlich konnte ich diese bisher jedoch nicht wahrnehmen.
Weisen beide Linsen das gleiche Außenmaß auf, kann in der Regel die Außenfläche in Kombination mit den zuvor angebrachten Markierungen als Hilfsmittel zur optischen Zentrierung benutzt werden. Weisen die beiden verklebten Elemente unterschiedliche Durchmesser auf, bietet sich oftmals das Gehäuse in dem diese eingebaut waren als Hilfsmittel an.
Die Dicke der Klebeschicht hängt sowohl von der Viskosität des eingesetzten Klebstoffs, als auch vom aufgebrachten Druck beim Verkleben ab. Hier sollte nicht zu fest gedrückt werden, da manche Klebstoffe beim Aushärten minimal an Volumen verlieren und sich so bei zu geringer Schichtdicke oder fehlerhafter Vorbereitung ggf. Fehlstellen in der Verklebung bilden können. Dies ist mir bisher erst einmal passiert, konnte aber dank der Eigenschaften des von mir eingesetzten Klebstoffes leicht behoben werden (durch Trennen, Reinigen und erneutes Verkleben).
Ich nutze einen Kleber der üblicherweise verwendet wird um bei Smartphones die Deckgläser mit dem eigentlichen Display zu verkleben. Dieser härtet unter UV-Licht aus und ist auch im ausgehärteten Zustand noch leicht elastisch (vergleichbar Silikon). Ist aber absolut glasklar transparent und weist auch einen vergleichbaren Brechungsindex auf. Darüber hinaus lassen sich die verklebten Elemente auch wieder deutlich leichter voneinander trennen, sollte ein Fehler beim Verkleben passiert sein.
Bei eigentlichen Verkleben sollte man darauf achten einen großen Klecks Kleber in die Mitte des unten liegenden Glases zu geben und beim zusammenlegen keine Luft einzuschließen. Bisher ist mir das immer sehr gut gelungen, aber dieses Mal habe ich leider einige winzige Luftblasen eingeschlossen und es nicht gesehen, da ich zum Schutz vor dem Kleber die Außenseiten der Doublette mit Tesafilm abgeklebt hatte. Wäre mir das aufgefallen hätte ich den Kleber natürlich nicht aktiviert. Ein Versuch war es wert, allerdings würde ich das nicht noch einmal so machen, dann lieber etwas mehr Aufwand beim reinigen hinterher. Ich habe getestet ob man die Bläschen im montierten Zustand noch sieht, sie machen sich allerdings kaum bemerkbar und treten bei geschlossener Blende als winzig kleine, hellere Stellen im Bild auf. Wenn ich die Geduld finde mache ich den ganzen Prozess noch einmal, für’s erste kann ich allerdings mit dem Ergebnis gut leben.
Generell sind Linsen die eine starke Wölbung haben leichter zu verkleben, da diese eventuell entstehende Luftblasen leichter nach außen entweichen lassen und sich ein Stück weit selbst zentrieren. Große, ebene Linsenelemente sind am schlechtesten zu verkleben, da die Luft sich hier nicht selbst den Weg nach außen sucht und sie in beliebiger Position zusammen passen. Eine Vakuumkammer wäre sicherlich hilfreich beim Verkleben um Lufteinschlüsse zu vermeiden, aber die muss man auch erst einmal haben.
Zusammenbau
Der Zusammenbau des Objektivs erfolgt im Prinzip genauso wie die Demontage, allerdings in umgekehrter Reihenfolge. Dabei muss man natürlich darauf achten, dass alle Hebelchen sauber ineinander greifen, damit nachher alle mechanischen Funktionen auch brav ihren Dienst verrichten.
Dass nachher Staub im Inneren des Objektiv landet lässt sich nie zu 100% vermeiden, aber ein Blasebalg hilft dabei den Großteil draußen zu halten. Kleinere Staubpartikel sind so oder so nachher nicht auf Bildern zu sehen.
Fazit
Eine Reparatur von Balsam Separation ist mit Hausmitteln und ein paar günstigen Werkzeugen (Objektivschlüssel und ggf. JIS Schraubendreher) definitiv machbar. Hat man einmal ein wenig Routine darin geht das ganze recht leicht von der Hand und es ermöglicht einem durchaus das ein oder andere Schnäppchen zu machen das man sich sonst vielleicht nicht leisten würde oder könnte.