Monokularer Pupillendistanzmesser
Die Erfindung betrifft einen monokularen Pupillendistanzmesser, welcher auf einfache und zuverlässige Weise sowohl den absoluten Abstand der Pupillenmitten voneinander wie auch die Abstände derselben vom Nasenrücken des Brillenbedürftigen zu messen gestattet.
Bei der Konstruktion eines solchen Pupillendistanzmessers sind verschiedene Eigenheiten zu berücksichtigen, die mit den Augen des Prüflings einerseits und den Augen des Untersuchenden anderseits verbunden sind:
Was den Prüfling betrifft, möchte man bei derartigen Messungen auf die Anwendung von Medikamenten verzichten, mit denen eine Ruhigstellung der stets in Bewegung befindlichen Pupillen erzwingbar wäre. Ohne eine solche Massnahme kommt man aber zu unsicheren Messwerten, wenn die Pupillenbilder in Beziehung zu einer geräteeigenen Messmarke gesetzt werden.
Der Umstand ferner, dass im allgemeinen bei verschiedenen Prüflingen die den beiden Pupillen gemeinsame Ebene auch einen verschiedenen Abstand vom Nasenrücken hat, erschwert die Einstellung des Gerätes relativ zur Pupillenebene, da als Anlagepunkt zwischen Gerät und Prüfling dessen Nasenrücken zu dienen hat. Schliesslich kommt es entscheidend darauf an, den absoluten Abstand der beiden Pupillenmitten voneinander mit hoher Genauigkeit zu messen, da hiervon die etwaige Konvergenz- oder Divergenz Stellung der Augenachsen beim Tragen der anzupassenden Brille abhängt.
Wenn nämlich dieser Abstand falsch gemessen wird, kann es eintreten, dass der Brillenträger zu einer solchen Konvergenz oder Divergenz der Augenachsen veranlasst wird, die ernstliche Sehstörungen zur Folge haben kann. Üblicherweise wird der Abstand eines jeden Auges von einer Symmetrielinie bzw. von dem Nasenrücken des Prüflings gemessen. Die Ermittlung des Absolutabstandes der Pupillenmitten setzt sich also aus zwei Einzelmessungen zusammen, so dass sich hierbei gemachte Fehler gegebenenfalls addieren. Ferner ist dafür Sorge zu tragen, dass der Prüfling bereits mit möglichst parallelgestellten Augenachsen in das Gerät blickt und nicht, was ihm meistens nicht bewusst wird, zu einer abweichenden Blickrichtung veranlasst wird.
Was schliesslich den Beobachter betrifft, so ist zunächst dem Umstande Rechnung zu tragen, dass dieser selbst auf einem Auge mehr oder weniger sehbehindert sein kann. Das Gerät soll also möglichst eine monokulare Beobachtung gestatten. Messfehler seitens des Beobachtenden können durch falsche Akkommodation seines Auges oder durch falsche Fokussierung des Okulares entstehen. Dies tritt vor allem dann ein, wenn sich die abbildenden Lichtbündel vor der Bilderzeugung nicht in ihrem ganzen Umfange lückenlos decken.
Der Pupillendistanzmesser nach der Erfindung ist ein monokulares Koinzidenzmessgerät, in welchem durch eine messbare Relativverschiebung optischer Elemente die beiden Pupillenbilder zur Koinzidenz gebracht werden. Das Gerät nach der Erfindung enthält zwei untereinander gleiche optische Systeme (Objektive), mit denen reelle Zwischenbilder der angezielten Pupillen des Prüflings erzeugt werden, ferner zwei messbar gemeinsam und gegeneinander senkrecht zur Achsstrahlrichtung verschiebliche strahlenversetzende Elemente sowie ein die Strahlengänge beider Systeme physikalisch vereinigendes System reflektierender Flächen. Aus reflektierenden Flächen zusammengesetzte, physikalisch strahlenvereinigende Systeme, insbesondere in Form zusammengesetzter Prismen, sind an sich bekannt.
Ihnen allen gemeinsam ist eine teildurchlässig reflektierende Schicht, durch welche ein Teil des einen Strahls hindurchtritt, und an der ein Teil des anderen Strahls in Richtung des durchtretenden ersten Strahls abgelenkt wird. Diese Systeme sind im allgemeinen so ausgebildet, dass die beiden Teilstrahlengänge bis zu ihrer Vereinigung an der teildurchlässigen Reflexionsfläche gleiche optische Weglängen haben. Im weiteren Verlauf hinter ihrer Vereinigung überdecken sich daher die beiden Lichtbündel vollkommen, so dass keine Messfehler durch falsche Akkommodation des Beobachterauges oder falsche Fokussierung des Okulares entstehen können.
Zweckmässig werden die beiden abbildenden Systeme zweiteilig ausgebildet und so angeordnet, dass die Pupillen des hineinschauenden Prüflings sich mindestens annähernd in der gemeinsamen objektseitigen Brennebene der objektseitigen Systemteile befinden, während die beiden strahlenversetzenden Elemente mit der bildseitigen Brennebene dieser Systemteile zusammenfallen. Auf diese Weise erhält das Gerät einen objektseitig telezentrischen Hauptstrahlengang. Seine Einstellung wird damit unabhängig vom Abstand der Scheitelpunkte der Augen des Prüflings von seinem Nasenrücken.
Das Strahlenvereinigungssystem ist vorteilhaft den beiden objektseitigen Objektivteilen und den strahlenversetzenden Elementen nachgeordnet. Die in dieses System eintretenden beiden Strahlenbündel sind dann mindestens annähernd in sich parallel. Ein beiden ob jektseitigen Objektivteilen gemeinsamer bildseitiger Objektivteil ist zweckmässig dem Strahlenvereinigungssystem nachgeordnet. Das von den Objektiven erzeugte Zwischenbild (Koinzidenzbild) wird vorteilhaft durch ein Okular beobachtet.
Die beiden messbar gemeinsam und gegeneinander senkrecht zur Achsstrahlrichtung verschieblichen, strahlenversetzenden Elemente bestehen zweckmässig in zwei dem Strahlenvereinigungssystem vorgeordneten optischen Linsen schwacher Brechkraft, welche beispielsweise mittels eines Schlittens gemeinsam und unabhängig davon - mittels eines Zahnstangengetriebes gegeneinander verschieblich sind.
Durch sie wird, wenn auch nur in geringem Masse, die Parallelität des austretenden Strahlenbündels gestört. Dies kann jedoch vermieden werden, wenn die strahlenversetzenden Linsen und die ihnen objektseitig vorgeordneten Objektivteile so aufeinander abgestimmt sind, dass die aus den strahlenversetzenden Linsen bildseitig austretenden Hauptstrahlen mindestens annähernd parallel gerichtet sind. In diesem Sinne kann man beispielsweise die objektseitigen Objektivteile so einrichten, dass sie einen schwach divergenten Strahlengang erzeugen, welcher durch die sammelnde Wirkung positiver strahlenversetzender Linsen wieder parallel gemacht wird. Umgekehrt kann man aber auch die objektseitigen Objektivteile so einrichten, dass sie einen schwach konvergenten Strahlengang erzeugen.
In diesem Falle wählt man für die strahlenversetzenden Elemente schwach zerstreuende Linsen, die so bemessen sind, dass die sie verlassenden Strahlenbündel in sich parallel verlaufen.
Im folgenden ist der Aufbau und die Wirkungsweise des Pupillendistanzmessers nach der Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert:
Die Pupillenmitten der beiden Augen des Prüflings sind mit P1 und P2 bezeichnet. Die Strecken 41 und 82 geben die Variationsbreite der normalerweise in Betracht zu ziehenden Pupillenabstände von einer Symmetrieachse an, die in der Zeichnung als strichpunktierte Linie angedeutet ist. Der absolute Abstand zwischen P1 und P2 ist mit S bezeichnet, während mit s1 der Abstand des rechten Patientenauges und mit s2 der des linken Auges von der Symmetrielinie angegeben wird.
Bei richtiger Haltung des Patientenkopfes gegen über dem durch das Gehäuse G zusammengefassten Gerät fällt die Symmetrieachse im allgemeinen mit dem Nasenrücken des Patienten zusammen. Ungefähr im Abstand der Brennweite f von den Pupillenmitten P1, P2 befinden sich die objektseitigen Teile Oi, 2 der Objektive. Die Pupillenmitten werden näherungsweise im Unendlichen angebildet, und die die Objektivteile O und 2 verlassenden Strahlenbündel sind nahezu parallel.
Im bildseitigen Abstandfvon den Objektivteilen O, und 02 befinden sich die beiden Linsen A1 und A2 schwacher Brechkraft. Die optischen Daten von Oi und A1 bzw. 2 und A2 sind in diesem Falle so aufeinander abgestimmt, dass die die Linsen A1 und A2 verlassenden Lichtbüschel in sich parallel sind. Die beiden parallelen Teilstrahlengänge werden durch das Prismensystem Prl, Pr2 vereinigt. Diese Prismenkombination enthält eine teildurchlässige Reflexionsschicht Z, welche einen Teil des linken Strahlenbündels unabgelenkt hindurchlässt, während ein Teil des rechten Strahlenbündels an ihm in die Richtung des hindurchtretenden Strahlenbündels reflektiert wird.
Die parallel austretenden vereinigten Strahlenbündel werden durch den bildseitigen Objektivteil 03 in der Bildebene Q-Q vereinigt. Das dort entstehende reelle Bild wird durch das Okular OK beobachtet, das eine Feldlinse 04 und die Augenlinse 05 enthält.
Die Linsen A1 und A2 sind über ein Ritzel R und zwei von diesem gegenläufig betätigten Zahnstangen miteinander gekuppelt. Das Ritzel ist mit einer Messtrommel T verbunden, auf welcher an einem Index die Relativverschiebung der beiden Linsen gemessen werden kann. Die ganze Vorrichtung ist in einem gemeinsamen Schlitten gelagert, mit dessen Hilfe sie als Ganzes senkrecht zur Symmetrielinie des Gerätes verschoben werden kann. In der Symmetrieachse der Anordnung befindet sich eine Marke M, welche über eine Linse 6 und ein Reflexionsprisma Pr3 sowie die halbdurchlässigen Spiegel Spl, Sp2 in die Teil-Strahlengänge eingespiegelt werden.
Die Messung mit dem beschriebenen Gerät geht folgendermassen vor sich: das Gerät und der zu untersuchende Patient werden so gegeneinander fixiert, dass die Symmetrielinie des Gerätes senkrecht auf den Nasenrücken des Prüflings bzw. auf die Verbindungslinie seiner beiden Augenpupillen zeigt. Der Prüfling blickt auf die beiden eingespiegelten Bilder der Fixier marke M. Zunächst wird das Okular OK auf ein in der Bildebene Q-Q befindliches oder abgebildetes Strichkreuz eingestellt. Das im Okular erscheinende Bild wird im allgemeinen zunächst keine vollkommene Überdeckung der beiden Pupillenbilder zeigen. Durch Drehen der Messtrommel T werden nunmehr die beiden Linsen A1 und A5 derart relativ gegeneinander verschoben, dass die beiden Pupillenbilder miteinander koinzidieren.
Da im allgemeinen die ohne weiteres nicht zu unterdrückenden Pupillenbewegungen gleichsinnig verlaufen, bleibt trotz der Unruhe die Koinzidenz erhalten. Da jedoch gemeinhin die Pupillen nicht streng symmetrisch zum Nasenrücken des Prüflings liegen,wird das so eingestellte Koinzidenzbild häufig nicht in der Mitte des Gesichtsfeldes erscheinen. Durch Betätigung eines zweiten Triebes R, der koaxial zur Messtrommel T angeordnet sein kann, wird das Linsenpaar A1, A2 gemeinsam verschoben, bis das Koinzidenzbild mit dem im Gesichtsfeld des Okulars erscheinenden Strichkreuz zusammenfällt.
Während durch die vorangegangene Relativverschiebung der beiden Linsen A1 und A2 der absolute Abstand S der Pupillenmitten voneinander gemessen wird, gibt die Gesamtverschiebung des Versetzungssystems ein Mass für die Lage der beiden Augenpupillen relativ zur Symmetrieachse des Gerätes und damit auch relativ zum Nasenrücken des Untersuchten, der ja mit der Symmetrieachse des Gerätes zusammenfällt. Man kann also aus zwei Einstellungen, nämlich einer Koinzidenzeinstellung und der nachfolgenden Verschiebung des Koinzidenzbildes auf die Gesichtsfeldmitte, alle drei Messgrössen S, s1 und s1 ermitteln.
Die in der Abbildung dargestellte Prismenkombination ist nur ein Beispiel. Man kann anstelle der Reflexionsflächen von Prismen auch Spiegel, und anstelle der halbdurchlässigen Zwischenschicht eine teilverspiegelte Glasplatte wählen. Ebenso können die als Strahlenversetzungsmittel wirkenden Linsen A1 und A2 durch schwenkbare Spiegel gebildet werden. Es müsste dann durch die Messtrommel T eine sinngemässe Schwenkung der Spiegelflächen herbeigeführt werden.
Eine solche Anordnung stellt allerdings ziemlich hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Geräteausführung, so dass man im allgemeinen die Linsen schwacher Brechkraft vorziehen wird.
Monocular pupil distance meter
The invention relates to a monocular pupil distance meter which allows the absolute distance between the pupil centers to be measured in a simple and reliable manner, as well as the distance between them and the bridge of the nose of the person in need of glasses.
When designing such a pupil distance meter, various peculiarities must be taken into account, which are connected to the eyes of the test object on the one hand and the eyes of the examiner on the other:
As far as the test specimen is concerned, one would like to forego the use of medication with such measurements, with which it would be possible to force the pupils, which are always in motion, to rest. Without such a measure, however, the measured values are uncertain if the pupil images are related to a device's own measurement mark.
Furthermore, the fact that the plane common to the two pupils is generally also at a different distance from the bridge of the nose in different test subjects makes it difficult to adjust the device relative to the pupil plane, since the bridge of the nose serves as the contact point between the device and test subject. Ultimately, it is crucial to measure the absolute distance between the two pupil centers from one another with high accuracy, since the possible convergence or divergence position of the eye axes when the glasses to be fitted are worn depends on this.
If this distance is measured incorrectly, it can happen that the spectacle wearer is induced to such a convergence or divergence of the axes of the eyes that can result in serious visual disturbances. Usually, the distance of each eye from a line of symmetry or from the bridge of the nose of the test object is measured. The determination of the absolute distance between the pupil centers is thus made up of two individual measurements, so that errors made here may add up. Furthermore, it must be ensured that the test specimen is already looking into the device with the eye axes as parallel as possible and not, which he is usually not aware of, is caused to look differently.
Finally, as far as the observer is concerned, the fact that the observer can be more or less visually impaired in one eye must first be taken into account. The device should therefore allow monocular observation as far as possible. Measurement errors on the part of the observer can result from incorrect accommodation of the eye or from incorrect focusing of the eyepiece. This occurs above all when the imaging light bundles do not completely cover each other in their entirety before the image is generated.
The pupil distance meter according to the invention is a monocular coincidence measuring device in which the two pupil images are brought to coincidence by a measurable relative displacement of optical elements. The device according to the invention contains two mutually identical optical systems (lenses) with which real intermediate images of the targeted pupils of the test object are generated, furthermore two beam-displacing elements that can be measured jointly and mutually perpendicular to the axis beam direction and a system of reflecting surfaces that physically unites the beam paths of both systems . Systems which are composed of reflecting surfaces and physically combine rays, in particular in the form of composed prisms, are known per se.
What they all have in common is a partially transparent reflective layer through which part of one beam passes and on which part of the other beam is deflected in the direction of the first beam passing through. These systems are generally designed in such a way that the two partial beam paths have the same optical path lengths until they are combined at the partially transparent reflection surface. In the further course behind their union, the two light bundles therefore completely overlap, so that no measurement errors can arise due to incorrect accommodation of the observer's eye or incorrect focusing of the eyepiece.
The two imaging systems are expediently designed in two parts and arranged in such a way that the pupils of the specimen looking in are at least approximately in the common object-side focal plane of the object-side system parts, while the two beam-displacing elements coincide with the image-side focal plane of these system parts. In this way, the device receives a telecentric main beam path on the object side. Its setting is thus independent of the distance between the vertexes of the examinee's eyes and the bridge of his nose.
The beam combining system is advantageously arranged downstream of the two object-side objective parts and the beam-displacing elements. The two bundles of rays entering this system are then at least approximately parallel. An image-side objective part common to both object-side objective parts is expediently arranged downstream of the beam combining system. The intermediate image (coincidence image) generated by the objectives is advantageously observed through an eyepiece.
The two beam-displacing elements, which can be measured jointly and mutually perpendicular to the axial beam direction, are expediently composed of two optical lenses of weak refractive power upstream of the beam combining system, which can be moved together and independently of one another by means of a rack and pinion, for example.
They disturb the parallelism of the emerging beam, even if only to a small extent. However, this can be avoided if the beam-displacing lenses and the objective parts arranged in front of them on the object side are matched to one another in such a way that the main rays emerging from the beam-displacing lenses on the image side are directed at least approximately parallel. In this sense, for example, the object-side lens parts can be set up in such a way that they generate a weakly divergent beam path, which is made parallel again by the collecting effect of positive, beam-displacing lenses. Conversely, however, the objective parts on the object side can also be set up in such a way that they generate a weakly convergent beam path.
In this case, weakly divergent lenses are chosen for the radiation-displacing elements, which lenses are dimensioned in such a way that the ray bundles leaving them run parallel in themselves.
In the following, the structure and the mode of operation of the pupil distance meter according to the invention is explained in more detail using a schematically illustrated embodiment:
The pupil centers of the two eyes of the test subject are designated P1 and P2. The lines 41 and 82 indicate the range of variation of the interpupillary distances normally to be taken into account from an axis of symmetry, which is indicated in the drawing as a dash-dotted line. The absolute distance between P1 and P2 is denoted by S, while s1 denotes the distance of the patient's right eye and s2 that of the left eye from the line of symmetry.
If the patient's head is held correctly in relation to the device combined by the housing G, the axis of symmetry generally coincides with the bridge of the patient's nose. The object-side parts Oi, 2 of the objectives are located approximately at the distance of the focal length f from the pupil centers P1, P2. The pupil centers are formed approximately at infinity, and the bundles of rays leaving the objective parts O and 2 are almost parallel.
At the image-side distance f from the objective parts O and 02 are the two lenses A1 and A2 with a weak refractive power. The optical data of Oi and A1 or 2 and A2 are coordinated with one another in this case in such a way that the light bundles leaving the lenses A1 and A2 are parallel in themselves. The two parallel partial beam paths are combined by the prism system Prl, Pr2. This prism combination contains a partially transparent reflective layer Z, which allows part of the left bundle of rays to pass through without being deflected, while part of the right bundle of rays is reflected on it in the direction of the bundle of rays passing through.
The combined beam bundles emerging in parallel are combined in the image plane Q-Q by the objective part 03 on the image side. The real image produced there is observed through the eyepiece OK, which contains a field lens 04 and the eye lens 05.
The lenses A1 and A2 are coupled to one another via a pinion R and two racks operated in opposite directions. The pinion is connected to a measuring drum T on which the relative displacement of the two lenses can be measured at an index. The whole device is mounted in a common slide, with the help of which it can be moved as a whole perpendicular to the symmetry line of the device. In the symmetry axis of the arrangement there is a mark M, which is reflected into the partial beam paths via a lens 6 and a reflection prism Pr3 and the semitransparent mirrors Spl, Sp2.
The measurement with the described device proceeds as follows: the device and the patient to be examined are fixed against each other in such a way that the symmetry line of the device points perpendicularly to the bridge of the nose of the test subject or to the connecting line between its two pupils. The test specimen looks at the two mirrored images of the fixation mark M. First, the OK eyepiece is set on a line cross located or shown in the image plane Q-Q. The image appearing in the eyepiece will generally initially not show a complete overlap of the two pupil images. By rotating the measuring drum T, the two lenses A1 and A5 are now shifted relative to one another in such a way that the two pupil images coincide with one another.
Since the pupil movements, which cannot be suppressed without further ado, generally run in the same direction, the coincidence is maintained despite the unrest. However, since the pupils are generally not strictly symmetrical to the bridge of the nose of the test object, the coincidence image set in this way will often not appear in the center of the field of view. By actuating a second drive R, which can be arranged coaxially to the measuring drum T, the pair of lenses A1, A2 is shifted together until the coincidence image coincides with the line cross appearing in the field of view of the eyepiece.
While the previous relative displacement of the two lenses A1 and A2 measures the absolute distance S of the pupil centers from one another, the total displacement of the displacement system gives a measure of the position of the two eye pupils relative to the symmetry axis of the device and thus also relative to the bridge of the nose of the examined person, who yes coincides with the symmetry axis of the device. It is thus possible to determine all three measured variables S, s1 and s1 from two settings, namely a coincidence setting and the subsequent shift of the coincidence image to the center of the field of view.
The prism combination shown in the figure is only an example. Instead of the reflective surfaces of prisms, you can also choose mirrors, and instead of the semi-transparent intermediate layer, you can choose a partially mirrored glass plate. Likewise, the lenses A1 and A2 acting as beam displacement means can be formed by pivotable mirrors. A corresponding pivoting of the mirror surfaces would then have to be brought about by the measuring drum T.
Such an arrangement, however, places quite high demands on the accuracy of the device design, so that lenses with a weak refractive power will generally be preferred.