Rekonstruktion der Objektivherstellungsmethoden des 17. Jahrhunderts

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In diesem Abschnitt untersuchen wir die Herstellung einfacher Linsen aus dem 17. Jahrhundert durch Giuseppe Campani und seine Zeitgenossen und versuchen, die ursprünglichen Fertigungsmethoden so authentisch wie möglich nachzubilden. Da wir jedoch nicht wissen, wie solche Linsen damals hergestellt wurden – viele Optiker haben ihre Geheimnisse mit ins Grab genommen –, können wir keine absolute Präzision und Authentizität garantieren. Giuseppe Campani verwendete beispielsweise dünnes venezianisches Glas mit einer maximalen Dicke von 6 mm. Die meisten seiner Linsen haben einen viel zu großen Durchmesser und eine sehr geringe Dicke. Die 100-Fuß-Linse, mit der Cassini die Monde Tethys und Dione entdeckte, misst beispielsweise 205 mm im Durchmesser und 5,4 mm in der Dicke. Es gibt aber auch Linsen mit einer Randdicke von nur 3,3 mm und einem Durchmesser von 107 mm, die makellos gefertigt sind.In diesem Abschnitt befassen wir uns mit der Herstellung der einfachen Linsen des 17. Jahrhunderts durch Giuseppe Campani und seine Kollegen und versuchen dabei, die ursprünglichen Herstellungsmethoden so authentisch wie möglich nachzubilden. Allerdings können wir keine absolute Präzision und Authentizität gewährleisten, da wir nicht wissen, wie solche Linsen damals gefertigt wurden. Giuseppe Campani verwendete beispielsweise dünnes venezianisches Glas mit einer maximalen Dicke von 6 mm. Die meisten seiner Linsen weisen einen viel zu großen Durchmesser und eine sehr geringe Dicke auf. Die 100-Fuß-Linse, mit der Cassini die Monde Thetys und Dione entdeckte, misst beispielsweise 205 mm im Durchmesser und 5,4 mm in der Dicke. Es gibt auch Linsen mit einer Randdicke von nur 3,3 mm und einem Durchmesser von 107 mm, die makellos gefertigt sind.

 

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Die erste Singulettlinse für ein langbrennweitiges Fernrohr wurde als plankonvexe Linse geschliffen, wobei die plane Seite direkt von der ursprünglichen Fensterglasscheibe aus der Fabrikation erhalten blieb und nur die konvexe Seite geschliffen und bearbeitet wurde. Die Linse besitzt einen Durchmesser von 52 mm und eine Brennweite von 3250 mm, mit einer nutzbaren Apertur von 45 mm, und liefert dafür selbstverständlich eine erstaunlich gute optische Qualität.
Diese Linse ist die erste, die ich auf dünnem Papier aus einem alten Buch mit Tripoli poliert habe, wobei das Papier mit einer selbst hergestellten Stärke-Paste aus Lebensmittelstärke aufgeklebt wurde.
Diese Verbindung, bekannt als Tripoli oder Tripon, ist ein wahres Wunder der Welt — reine Magie.
Nachdem ich das Tripoli-Pulver in Wasser sifoniert und levigiert, anschließend filtriert und mithilfe der traditionellen Methode des Sifonierens und Levigierens wie sie auch bei Eisenoxid angewendet wurde — zu einem extrem feinen Polierpulver verarbeitet hatte, erhielt ich die feinste Qualität von Tripoli für die optische Politur.


Ich besitze zwei Gefäße mit Tripoli:


eines für die gröbere Vorpolitur,
und ein zweites mit der feinsten Qualität für die abschließende Feinpolitur.

Die Politur mit Tripoli auf Papier muss trocken durchgeführt werden. Daher lässt man das aus dem Gefäß entnommene Pulver bei Raumtemperatur trocknen. Tripoli trocknet im Vergleich zu anderen Poliermitteln sehr schnell. Für eine noch schnellere Trocknung kann die feine Tripoli-Paste auf ein Backpapier aufgetragen und zum Trocknen ausgelegt werden

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Bisher möchte ich vier Poliertechniken aus dem späten 17. Jahrhundert (1685) vorstellen. Diese Techniken habe ich in Johann Zahns Buch „Oculus artificialis teledioptricus“ (Herbipoli, 1685) gefunden.

Die erste, von P. Cherubinus (von Zahn über Dechales übernommen): Ein Holzkreis in der Größe des Werkzeugs, auf den weiches Leder gleichmäßiger Dicke, holländisches Tuch oder etwas dickere Seide gelegt wird. Darauf wird mäßig feuchtes, gebranntes Zinn aufgetragen. Die Linse wird linear entlang des Streifens geschoben und dabei gleichzeitig in ihre Achse gebracht.

Die zweite, von Rheita (ebenfalls über Dechales): Sauberes Papier wird mit einer einfachen Paste aus Mehl oder Weizengrieß auf das konkave Werkzeug geklebt. Das Papier wird leicht angefeuchtet, um sich exakt der Form anzupassen. Das trockene Papier wird zunächst mit einer aussortierten Linse mit stark schräger Schneide oder mit einer Eisenklinge geglättet. Anschließend wird es längs mit Tripoli bedeckt, wobei die Breite etwas größer als der Durchmesser der zu bearbeitenden Linse sein sollte.

Die dritte Methode ist Zahns eigene, althergebrachte Methode: Ein dünnes Leinentuch (tela linea subtilissima) wird über ein konkaves Werkzeug gespannt, das mit fein gekochter Weizenstärkepaste (polenta triticea) bestrichen ist. Darauf wird ein dünnes, ebenfalls mit Paste bestrichenes Papier (charta) aufgetragen. Die Linse wird mit der rechten Hand auf das mit Tripoli bestrichene Papier gedrückt, während die konkave Lasche in der linken Hand senkrecht gehalten wird. Die Linse wird in einer linearen Bewegung von einem Ende des Streifens zum anderen geführt und dabei gleichzeitig um die eigene Achse gedreht. Zahn beschreibt auch die Schwierigkeiten dieser Methode: Je zäher die Paste und je fester das Papier am Werkzeug haftet, desto schwieriger, langsamer und unvollkommener lassen sich die Linsen polieren. Je schwächer die Paste und je weniger fest das Papier haftet, desto schneller und perfekter gelingt das Polieren, aber desto größer ist auch die Gefahr, dass sich das Papier durch die Reibungshitze ablöst. Dieser Widerspruch veranlasste Zahn, die Methode aufzugeben.

Die vierte Methode, die Zahn „quartus modus simplicior et perfectior“ nennt und als Ergebnis langjähriger Bemühungen zur Beseitigung der vorherigen Schwierigkeiten bezeichnet, verwendet ein Papier mittlerer Stärke (weder zu fein noch zu dick). Dieses wird ohne nassen Klebstoff auf das konkave Werkzeug aufgetragen – lediglich durch Anfeuchten des leicht erwärmten Werkzeugs mit Wasser und anschließendes Trocknen in Werkzeugform. Der Klebstoff besteht aus reinem, weißem Wachs und klarem venezianischem Terpentin in einem Verhältnis, das die Konsistenz von Siegelwachs ergibt. Zahn betont, dass das Terpentin absolut klar sein muss – diese Bedingung erfordert ein Terpentin von maximaler Reinheit. Die so erhaltene Mischung bildet kaum einen eigenen Körper (vix corpus efficient): Sie ist so dünn und flexibel, dass das Papier am konkaven Werkzeug haftet, ohne dass sich ein starrer Körper zwischen Linse und Metall befindet.

Die Bewegung, um überschüssigen Klebstoff von dem auf die Metallform geklebten Papier zu entfernen.

Die Poliermechanik auf diesem Papier erklärt Zahn anhand einer komplexen manuellen Technik, die ungleichmäßigen Abrieb verhindern soll. Er beschreibt, dass das Werkzeug (Scutella) entweder senkrecht in der linken Hand gehalten oder waagerecht auf einem gerollten Tuch fixiert werden kann. Mit der rechten Hand hält der Anwender den Holzgriff (Capulo), an dem die Linse mit Pech befestigt ist, fest und drückt ihn auf das mit Tripoli vorbereitete Papier. Die Polierbewegungen sind als notwendige Kombination zweier gleichzeitiger Aktionen zu verstehen: Translation und Rotation. Zunächst bewegt der Anwender die Linse „hin und her“ (huc illucque deducitur) über das Papier, was einer geradlinigen Hin- und Herbewegung entlang der Innenseite der sphärischen Krümmung entspricht. Zweitens muss der Bediener gleichzeitig mit dieser Hin- und Herbewegung die Linse im Griff in seiner eigenen Hand drehen und schwenken (in manu convertendo ac circumagendo).

Polierstriche für eine Linse auf einem sehr großen Metallwerkzeug, auf dem das Papier aufgeklebt ist

Polierstriche für eine Linse auf einem sehr großen Metallwerkzeug, auf dem das Papier aufgeklebt ist

Maschine zum Polieren von Linsen

Hochpräzisionsmaschine zum Polieren von Linsen

 

[fuetti]

Witzig finde ich den Schießbogen D als Rückholfeder in der 1. Abbildung...

 

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Im Laufe der Monate August und September wurde eine neue Serie von Linsen gefertigt – sowohl plankonvexe als auch bikonvexe –, die allesamt auf Filz mit Tripel und Ceroxid (CeO₂) poliert wurden. Ein Teil dieser Linsen entstand maschinell, ein anderer in Handarbeit, wobei sowohl Methoden des 17. Jahrhunderts als auch moderne Fertigungsverfahren zum Einsatz kamen.

Die Linsendurchmesser reichen von 34 mm bis hin zu 36 mm, 38 mm und 56 mm; geschliffen und poliert wurden sie auf einer umgedrehten Bohrmaschinen-Vorrichtung und anschließend manuell korrigiert. Etwa 50 % der Linsen wurden vollständig von Hand gefertigt – unter Anwendung moderner Polierbewegungen und Politur auf einem Filzpad. Die Brennweite ist am Linsenrand eingraviert.

Interessanterweise wiesen viele dieser Linsen nach dem Polieren eine Oberflächenform auf, die jener von Teleskopen des 17. Jahrhunderts ähnelte; sie eignen sich daher hervorragend für die Beobachtung von Doppelsternen und Planeten.

 

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Im Laufe der Zeit wurden hochpräzise Drehmaschinen für die Herstellung von Metallwerkzeugen zum Schleifen von Linsen entwickelt; die berühmte Campani-Drehbank – das wichtigste Gerät in der Werkstatt – war darauf ausgelegt, die Metallwerkzeuge in eine perfekte Kugelform zu bringen.
Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass im Werkstattinventar keine Maschine zum Schleifen von Objektivlinsen aufgeführt ist; erwähnt werden lediglich kleine konkave und konvexe Linsen mit sehr kurzer Brennweite, jedoch keine entsprechende Maschine.
Welche Vorrichtungen Campani tatsächlich verwendete, lässt sich den Aufzeichnungen von Fougeroux de Bondaroy entnehmen.

Zitat:

Herr Hercule Lelli bemühte sich, den Nutzen jedes einzelnen Gegenstands in Campanis Labor zu bestimmen. Er versuchte, durch die Untersuchung der Maschinen und Werkzeuge jene Methoden zu erschließen, mit denen dieser berühmte Handwerkskünstler seinen Linsen die viel gepriesene Perfektion verlieh. Denn keine schriftlichen Zeugnisse Campanis hätten ein Talent besser beleuchten können, das sich allein in der überragenden Qualität seiner Arbeit manifestierte – besaß Campani doch (wie bereits erwähnt) die Eigenart, großen Aufwand zu betreiben, um sicherzustellen, dass niemand auch nur erahnen konnte, wie seine Verfahren beschaffen waren.

Nachdem festgestellt worden war, dass das Glas keine nennenswerten Fehler aufwies, wurden die erforderlichen Umrisse und Abmessungen für das Objektiv auf dem Glasstück markiert; es wurde mit einem Diamanten zugeschnitten, die Ecken wurden entfernt und das Stück wurde abgerundet.
Bei der Verwendung von Schleifschalen entschied man sich für eine von zwei Methoden: Entweder wurde das Glas über die Schleifschale (das Werkzeug) bewegt, oder die Schleifschale wurde über das Glas geführt, während dieses unbeweglich blieb.

Zu Lebzeiten behauptete Campani, er könne Glas auf seiner Drehbank ohne die Verwendung von Schleifschalen (Formen)* bearbeiten.
Man geht jedoch davon aus, dass er seine Objektive ausschließlich formte, fertigbearbeitete und polierte, indem er das Glas in kreisenden Bewegungen über eine horizontal angeordnete Kupferschale führte. Gelegentlich veränderte er dabei die Position der Schleifschale, die auf einer rotierenden Scheibe (einem Drehteller) montiert war; deren Achse verlief durch den Tisch, sodass die Schale horizontal verschoben und in entgegengesetzter Richtung zu der Bewegung gedreht werden konnte, die er dem Glas verlieh.

Mehrere kleinere, handgeführte oder mit einem Griff versehene Schleifschalen, die im Institut aufbewahrt werden, legen nahe, dass sie zum Polieren gedacht waren, indem man sie über das Glas führte; Herr Hercule Lelli vermutet jedoch, dass Campani sie nur für sehr kleine Objektive verwendete.
Dieser Handwerker besaß eine beachtliche Anzahl gut gefertigter Schleifschalen; nach Ansicht derjenigen, die seine Methoden am besten untersucht haben, lag hierin das Geheimnis, um die für ein bestimmtes Objektiv erforderliche Brennweite zu erzielen. Doch über die Präzision seiner Werkzeuge hinaus widmete er der Formgebung seiner Linsen größte Sorgfalt und verband dies mit außergewöhnlichem handwerklichem Geschick bei der Ausführung der Arbeit. Erfahrung und Können hatten Campani gelehrt, wie man gleichmäßigen Druck auf die Schleifschale ausübt und das Glas bearbeitet, ohne die Schale selbst zu verformen.

Man nimmt an, dass Campani mehrere Schleifschalen für die Bearbeitung ein und derselben Linse verwendete; die erste Schale diente dem Grobschliff, während er die Linse mit einer zweiten, etwas stärker konkaven Schale fertigstellte. Dabei traf er alle erdenklichen Vorkehrungen, um sicherzustellen, dass die Linse zunächst an den Rändern und erst danach in der Mitte Kontakt zur Schale hatte; so verhinderte er, dass das Glas während des Vorgangs dezentriert wurde.

Es wird angenommen, dass Campani – um dem Glas die exakt erforderliche Brennweite zu verleihen – die eine Seite des Glases auf einer Schale mit einer bestimmten Brennweite und die zweite auf einer Schale mit einer anderen Brennweite bearbeitete; auf diese Weise gelang es ihm, dem Objektiv eine mittlere Brennweite zu geben oder zumindest der geforderten Brennweite sehr nahe zu kommen.
Man vermutet, dass Campani für die Phasen des Grob- und Feinschliffs eine deutlich größere Menge Schmirgel verwendete, als für den bloßen Beginn der Glasbearbeitung nötig gewesen wäre; nach der Hälfte des Arbeitsgangs entfernte er die Hälfte des Schmirgels und setzte die Arbeit fort, wodurch er die Menge im Verlauf der Bearbeitung reduzierte. Mit abnehmender Menge wurde der Schmirgel immer feiner und entsprach so der zunehmenden Perfektion der Glasoberfläche; dieses Verfahren wiederholte er beim Wechsel von Schmirgel zu Tripel (einem Poliermittel).


Optikerwerkstatt aus dem 18. Jahrhundert

Konkaves Werkzeug zum Schruppen, 90° Brennweite, Objektive (18-19 mm)

Konkave Form (Werkzeug) zum Feinschleifen von Linsen mit 30 Handflächen Brennweite (6,3 m Brennweite)

Konkave Formen für Objektivlinsen

Konkave Metallwerkzeuge zum Schleifen konvexer Linsen mit kurzer Brennweite

 

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Der große Giuseppe Campani musste größere Linsen mit einem deutlich geringeren Verhältnis von Werkzeug zu Linse bearbeiten. Die Tabelle listet das Verhältnis des verwendeten konkaven Metallwerkzeugs zum Schleifen sowie den Durchmesser der geschliffenen Linse auf. Man erkennt, dass das Verhältnis für die 223-mm-Linse auf dem 282-mm-Werkzeug sehr gering ist. Das Schleifen einer solchen Linse mit einer Dicke von 5,5 mm am Rand und einem Durchmesser von 223 mm auf einem konkaven Werkzeug aus Messing und Kupfer mit einem sehr kleinen Krümmungsradius macht die Beibehaltung der Kugelform äußerst schwierig, insbesondere bei der Verwendung von Metallwerkzeugen. Campani schliff die Linse auf diesen Werkzeugen mit spiralförmigen, kreisförmigen Bewegungen, um den gesamten Durchmesser des Werkzeugs abzudecken und eine gleichmäßige Oberfläche zu gewährleisten. Er verwendete mehrere Werkzeuge mit unterschiedlichen Krümmungsradien, um die Krümmung der Linse zu verfeinern. Der komplexeste Arbeitsschritt war das Polieren auf Spezialpapier, das mit einer dünnen Schicht Gummi arabicum auf dem konkaven Werkzeug befestigt war. Dadurch entstand ein Polierbett, das alle Unebenheiten des Werkzeugs selbst ausglich. Ich schleife Glas gezielt auf Glas, indem ich ein flaches Glasstück verwende, das sich durch die Bewegung auf natürliche Weise vertieft und so eine Kurve in sich selbst erzeugt. Die abschließende Politur erfolgt auf Filz, der mit Ceroxid (CeO₂) und Tripoli imprägniert ist. Die Polierbewegungen werden dem Fortschritt der Linse angepasst, wobei sich W-förmige Bewegungen im Allgemeinen als am besten für ein gleichmäßiges Polierergebnis eignen.


An einem der Schleifwerkzeuge von Campani sind Gebrauchsspuren zu erkennen, das Muster der kreisförmigen Spiralstriche ist deutlich sichtbar.

Unterschiedliche Campani-Objektive aus Museen im Vergleich zu den Werkzeugen, mit denen die Linsen geschliffen wurden

Schleifwerkzeuge, die für sehr große Objektivlinsen geeignet sind

Man kann sehen, dass Werkzeuge zum Schleifen kleiner Linsen ein Verhältnis von 2,8-mal größer als die Linse aufweisen, und bei großen Linsen wird die Zahl kleiner.
Bei kleinen Linsen genügen einfache kreisende Bewegungen in der Werkzeugmitte, um die Kugelform zu erhalten. Schwieriger wird es beim Schleifen und Polieren großer Linsen mit Metallwerkzeugen, die 1,2-mal größer als die Linse sind.

 

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Manzini beschreibt die Herstellung von Linsen als eine Abfolge sorgfältig kontrollierter Arbeitsschritte: die Vorbereitung und Überprüfung der sphärischen Formen, die sichere Befestigung des Glases, das Schleifen mit zunehmend feineren Schleifmitteln und schließlich das Polieren. Seine Darstellung verbindet praktische Anleitungen für die Werkstatt mit Beobachtungen zu den Werkzeugen und Halterungen, die von Linsenschleifern verwendet wurden.
Die Arbeitsformen konnten aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, darunter Marmor und Metall. Ihre sphärische Gestalt wurde auf einer Drehbank überprüft und korrigiert. Manzini beschreibt ein geometrisches Verfahren, bei dem das Schneidwerkzeug der gewünschten sphärischen Oberfläche folgt; kleine Spuren, die beim Drehen entstanden, konnten anschließend durch Reiben der Form mit Glas, Bimsstein oder ähnlichen Materialien entfernt werden. Er stellt keine allgemeingültige Regel auf, wonach die Schleifform und die zu fertigende Linse zwingend denselben Durchmesser haben müssen.
Das Glas wurde an einer geeigneten Halterung oder einem Griff befestigt. Für größere Arbeiten beschreibt Manzini das Aufbringen mehrerer Glasstücke auf eine Marmorunterlage mithilfe von Gips. Dabei musste darauf geachtet werden, dass das Glas korrekt ausgerichtet blieb und eine gleichmäßige Höhe aufwies; eine ungleichmäßige Befestigung konnte zu unterschiedlichen Glasdicken führen und die spätere Abbildungsqualität beeinträchtigen. Auch pechbasierte Massen wurden verwendet, um Linsen auf Halterungen zu fixieren, wobei die Befestigung so gestaltet sein musste, dass ein Verkippen des Glases vermieden wurde.

Drehmaschine zur Bearbeitung von Metallwerkzeugen in Kugelform

Der Schleifprozess begann mit „Arena“ – einem groben Schleifmittel, das mit Wasser verwendet wurde. Das Glas wurde auf der Form durch wiederholte kreisförmige oder spiralförmige Bewegungen bearbeitet, wobei man in der Mitte begann und eine gleichmäßige Bewegung beibehielt. Dieser Vorgang wurde mit frischem Schleifmittel so lange wiederholt, bis die ursprüngliche Oberfläche abgetragen war und die gewünschte Krümmung annähernd erreicht wurde. Anschließend mussten Glas, Halterung und Form gründlich gereinigt werden, damit keine groben Körner den nächsten Arbeitsschritt beeinträchtigen konnten.
Für den feineren Schleifschritt wurde „Spoltiglia“ verwendet, das ebenfalls mit Wasser angefeuchtet wurde. Die kontrollierten kreisförmigen oder spiralförmigen Bewegungen wurden fortgesetzt, bis die Oberfläche glatter wurde und die durch das grobe Schleifmittel verursachten Spuren und Vertiefungen verringert oder beseitigt waren. Manzini weist darauf hin, dass das Glas leicht zerkratzt werden kann, und empfiehlt, es mit einem sauberen, weichen Schwamm zu untersuchen, der nicht mit dem groben Schleifmittel in Berührung gekommen ist. Wenn die Oberfläche begann, Objekte zu spiegeln, war dies ein Zeichen dafür, dass sie das Stadium erreichte, in dem mit dem Polieren begonnen werden konnte – wobei er jedoch davor warnt, den Schleifprozess zu früh zu beenden.

Linsenschleifmaschine für präzisere Arbeiten an Objektivlinsen

Schleifmaschine mit einfacherer Konstruktion

Kreisförmige, spiralförmige Bahnen auf dem metallischen Schleifwerkzeug, denen die Linse folgen muss


Das Polieren wird gesondert vom Schleifen behandelt. Der Text beschreibt die Verwendung feiner Poliermittel – insbesondere Tripoli – sowie geeigneter Polierunterlagen wie Filz, Stoff, Papier oder anderer Materialien. Zudem werden verschiedene Polieranordnungen und Werkzeuge erörtert, darunter der „Arco“ und die „Torretta di Piombo“. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass durch das Schleifen die Krümmung festgelegt und Oberflächenfehler beseitigt werden, während das Polieren die endgültige, glatte und reflektierende Oberfläche erzeugt.
Manzini beschreibt zudem die Überprüfung der fertig bearbeiteten Oberfläche, indem die Reflexion einer Flamme in einer abgedunkelten Umgebung beobachtet wird. Es handelt sich hierbei um eine praktische visuelle Kontrolle, nicht um ein modernes, quantitatives optisches Prüfverfahren. Seine Ausführungen sind wertvoll, da sie Werkstattabläufe, verwendete Materialien und notwendige Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung dokumentieren; sie enthalten jedoch keine modernen numerischen Toleranzwerte für die Oberflächenform, die Rauheit oder die optische Leistungsfähigkeit.

Polierbewegungen auf dem Papier-Läppwerkzeug führen dazu, dass dieses am konkaven Metallwerkzeug haften bleibt.

Die wichtigste praktische Erkenntnis ist die Bedeutung von Sauberkeit, kontrollierten und gleichmäßigen Bewegungsabläufen, einer sorgfältigen Einspannung sowie der vollständigen Entfernung grober Schleifmittel, bevor zum nächsten, feineren Bearbeitungsschritt übergegangen wird. Der Text sollte nicht so verstanden werden, dass er moderne, festgelegte Werte für Anpressdruck, Geschwindigkeit oder Hubzahl vorgibt oder ein allgemeingültiges Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Linse und dem des Werkzeugs definiert.