Erfahrene Optikingenieure stellen zu Beginn eines Entwicklungsprojekts viele Fragen. Dabei scheinen manche davon zunächst nur wenig mit der Entwicklungsaufgabe an sich zu tun haben. Doch umfassendes Verständnis der Anwendung hilft, das Ziel zuverlässig, effizient und auf wirtschaftliche Weise zu erreichen. Denn angesichts verschiedener, teils miteinander konkurrierender Anforderungen, gilt es, beim Spezifizieren die richtigen Prioritäten zu setzen.

Informationsmangel resultiert in der Regel in Überspezifikation. Dies führt unweigerlich dazu, dass der Entwicklungszyklus länger dauert als nötig. Die Kosten fallen dabei oft höher aus, mitunter kommt es gar nicht erst zu einer zufriedenstellenden Lösung. Die Anwendung zu Projektbeginn möglichst offen zu beschreiben, trägt in jedem Fall dazu bei, unvorhergesehene, unerwünschte oder unerwartete Ergebnisse zu vermeiden.

Für eine Vielzahl von Anwendungen sind handelsübliche Optiken ausreichend. Innovative Applikationen erfordern jedoch oft auch neue Designs. Um die Grenzen des sinnvoll Umsetzbaren nicht zu überdehnen, muss meist ein Kompromiss gefunden werden zwischen konkurrierenden Anforderungen – sowohl beim Design als auch hinsichtlich des Fertigungsprozesses. Dabei wirkt sich die Änderung einer Spezifikation oft auf mindestens eine weitere aus.

Während meist bekannt ist, wo sich Änderungen auswirken, lässt sich ihr Ausmaß oft erst nach mehreren Design-Iterationen richtig abschätzen. Manche Aspekte der Spezifikation haben weitreichende Konsequenzen für den Entwicklungs- und den Fertigungsprozess. Sind grundlegende Anforderungen hinsichtlich Kosten, Größe und Gewicht jedoch bekannt, lässt sich bereits abschätzen, wie diese zu Einschränkungen im Entwicklungsprozess führen.

Anwendung und Kosten

Kosten sind keine technische Spezifikation im eigentlichen Sinn, haben aber indirekten Einfluss auf viele technische Entscheidungen. Sie sollten daher frühzeitig erörtert und immer dann überprüft werden, wenn eine Spezifikation im Laufe der Entwicklung geändert wird. Sie sind maßgeblich dafür, welche Fertigungsanlagen und Werkstoffe für die Produktion des gewünschten Objektivs eingesetzt werden können, bestimmen daher die Entwicklungsweise sowie die Einschränkungen des Designs.
Kosten bauen aufeinander auf, beinhalten aber variable Aspekte, die gestaltbar sind: Manche Kosten im Prozess sind sensibler und mit mehr Risiko behaftet als andere. Sind die Produktionskosten der treibende Faktor? Spielen die anfänglich anfallenden und einmaligen Entwicklungskosten eine große Rolle, aber der Produktpreis ist weniger sensibel? Sind mehrere Prototypen-Iterationen als Ausgabenposten und hinsichtlich Time-to-Market (entgangene Umsätze) akzeptabel?

Beispiel einer Kundenanforderung

Ein neues, sehr leistungsfähiges Objektiv soll entwickelt werden. Zunächst werden Prototypen benötigt, anschließend soll die Serienfertigung folgen. Bei der Prüfung der Anforderungen zeigt sich, dass mehrere technische Spezifikationen miteinander konkurrieren und zudem eine sehr hohe Preissensibilität bei der Serienfertigung besteht. Beides ließe sich durch den Einsatz spezialisierter Produktionsanlagen lösen, jedoch nicht ohne erhebliche Zugeständnisse.
Beim Einsatz spezialisierter Maschinen für hohe Stückzahlen, wie etwa beim Blankpressen von Glas, fallen im Vorfeld hohe einmalige Entwicklungs- und Werkzeugkosten an. Wenn zunächst nur eine kleine Stückzahl als Konzeptnachweis benötigt wird, können diese Kosten erdrückend sein – vor allem bei einer Änderung des Konzepts, da die Vorabkosten dann erneut anfallen. Langfristig bietet das Glaspressen in Großserie jedoch den Vorteil niedrigerer Produktionskosten.
Konventionelles Schleifen und Polieren dagegen ist zwar in der Prototypenphase kostengünstig, erfüllt jedoch meist nur mit Mühe die Kostenvorgaben für die Serienfertigung. Zudem bieten blankgepresste Linsen beim Design größere Freiheiten als konventionell gefertigte Linsen. Insbesondere erlaubt das Präzisionsblankpressen Konturen, die sich mit konventionellen Schleif- und Poliermaschinen nicht realisieren lassen.

Fertigung beim Design beachten

Kann ein Optikingenieur Blankpressverfahren anstelle der herkömmlichen Glasbearbeitung nutzen, führt dies zu einem völlig anderen optischen Design. Die Umstellung von einem Fertigungsverfahren auf ein anderes ist jedoch nicht trivial und kann zu erheblichen Verzögerungen führen, da das Design von Grund auf neu entwickelt werden muss. Für das Präzisionsblankpressen eignen sich zudem nur spezielle Glasarten, was Einschränkungen für das optische Design bedeuten kann.
Die Glaswerkstoffe sind ebenfalls ein Kostenfaktor. Für die Herstellung optischer Komponenten stehen Hunderte Glassorten von günstig bis teuer zur Auswahl, die sich unter anderem in der temporären Verfügbarkeit und Bearbeitungsausbeute unterscheiden. Wenn man optische Designs mit beliebigen Glasarten zulässt, erhöht sich zwar die Wahrscheinlichkeit, eine technisch vollständig konforme Lösung zu erhalten – aber unter Umständen zu einem hohen Preis.
Neben leistungsorientierten Spezifikationen wie der Auflösung können Anforderungen hinsichtlich Größe und Gewicht die Auswahl und Kosten des Glases beeinflussen. In der Regel wird man versuchen, die Anzahl der Glaselemente zu reduzieren. Dadurch sinken jedoch auch die Freiheitsgrade beim Design, sodass mehr Flexibilität hinsichtlich Profil und Preis des Glases erforderlich wird, wodurch wiederum die Kosten der Lösung steigen können.

Größe und Gewicht

Wenn es um Auflösung und Tiefenschärfe geht, nähern sich die Objektivkonstruktionen für viele neue Anwendungen den Grenzen des physikalisch Machbaren. Es ist vorteilhaft, bei allen Spezifikationen flexibel zu sein. Insbesondere gilt dies jedoch hinsichtlich der Größe. Denn wenn es bei der Skalierung auf die benötigte Größe an Spielraum fehlt, kann es sehr schwierig werden, die gewünschten optischen Anforderungen zu erfüllen.
Indem man hinsichtlich der Größe flexibel bleibt, lässt sich in der Regel eine höhere Leistung sowie eine geringere Fertigungssensibilität erzielen – und wenn sich dadurch höherpreisiges Glas umgehen lässt, kann dies sogar zu niedrigeren Kosten führen. Nicht immer mag es praktikabel sein, beim Objektivdesign völlige Freiheit hinsichtlich Größe und Gewicht zu geben. Wird dieser Aspekt jedoch schon früh in der Spezifikationsphase bedacht, ist die Flexibilität beim optischen Design größer.
Es lohnt sich, Anwendung, Lösungsansätze und Spezifikationen möglichst offen und flexibel zu diskutieren. Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Kosten, Zeitplan, Größe, Gewicht oder anderen Anforderungen lassen sich minimieren, wenn von Anfang an ausreichende Informationen vorliegen. Kenntnis der Spezifikationsentwicklung und der Designüberlegungen ist unerlässlich, um zu einem erfolgreichen Ergebnis zu gelangen.