DE2813263A1 - Vorrichtung zur messung des scheitelbrechwerts eines linsensystems - Google Patents

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Möhlstraße 37 Acuity Systems, Inc. D-8000München80

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Telegramme: ellipsoid

2 8, Man 1978

Vorrichtung zur Messung des Scheitelbrechwerts eines Linsensystems

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Brechungseigenschaften eines Linsensystems und insbesondere zur Messung des bildseitigen Scheitelbrechwerts eines sphärozylindrischen Linsensystems. Ein Beispiel für ein sphärozylindrisches Linsensystem ist ein Brillenglas. Eine derartige Meßvorrichtung wird häufig auch als Linsenmesser (lensmeter) bezeichnet.

Ein sphärozylindrisches Linsensystem ist effektiv eine Kombination aus sphärischen und zylindrischen Linsen. Derartige Systems kennzeichnen sich allgemein durch folgende Parameter: Sphärische Wirkung, Zylinderstärke oder -wert, Zylinderachse, Prismenstärke und Prismenachse. Die sphärische Leistung oder Wirkung des Linsensystems wird als Reziprokwert der sphärischen Brennweite in Meter und allgemein in Dioptrien ausgedrückt. Die Zylinderstärke oder -wert einer Linse ist der Unterschied zwischen den orthogonalen Haupt- und Nebenwerten einer zylindrischen Linse. Die Zylinderachse bedeutet die Winkellage (allgemein in Graden ausgedrückt) des Haupt- oder Nebenwertemeridians (major or minor power meridian) im Linsensystem.

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Bezüglich der Einzelheiten verschiedener Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung bzw. Messung der Brechungseigenschaften von sphärozylindrischen Linsensystemen wird auf die US-PSen 3 832 066, 3 870 415 und 3 877 788 verwiesen.

Eine technisch und wirtschaftlich zweckmäßige Vorrichtung zur Lieferung einer objektiven Anzeige eines oder mehrerer der vorgenannten Linsensystemparameter ist in der US-PS 4 007 990 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung tastet ein Einfallslichtbündel aus parallelen Strahlen, kurz gesagt, einen kreisförmigen geometrischen Ort (locus) mit bekanntem Radius von der Achse des untersuchten Linsensystems ab. Der dabei gebrochene, aus dem Linsensystem austretende Strahl wird auf einen lagenmessenden bzw. ortsbestimmenden Photodetektor geworfen, der in einer nachgeschalteten Ebene angeordnet ist. Das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors wird zur Lieferung einer Meßgröße der sphärozylindrischen Parameter des Linsensystems verarbeitet.

Wie noch näher erläutert werden wird, liegt der erwähnten, bisherigen Vorrichtung der Gedanke zugrunde, daß der Abtastlichtstrahl die vordere und die hintere Scheitelebene des Linsensystems auf demselben bekannten Radius von der Linsensystemachse passiert. Während diese Voraussetzung in der Praxis für sehr dünne Linsen zutrifft, wird sie im Fall von dicken Linsen zunehmend unrichtiger«, Ersichtlicherweise wird der einfallende Strahl (parallel zur Achse) bei seinem Durchgang durch die Linse selbst durch Brechung aus seiner anfänglichen Radialstellung abgelenkt. Aus diesem Grund ist die Radialposition des gebrochenen Strahls beim Austritt aus der Linse notwendigerweise von der bekannten Einfalls-Radiaisteilung um einen Betrag verschieden, der eine Funktion des Vorderflächenwerts der Linse, ihrer Dicke, des Linsenmaterial-Index usw. ist. Dieser Unterschied führt bei dieser bisherigen Vorrichtung unweigerlich einen Fehler ein.

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Es hat sich nun jedoch herausgestellt, daß dieser Fehler dadurch praktisch ausgeschaltet werden kann, daß eine Maske mit einer öffnung oder Apertur bekannter Radialabmessungen in den unmittelbaren Strahlengang des aus der Linse austretenden, gebrochenen Lichtstrahls eingeschaltet wird. Da die Radialposition der Öffnung bekannt und festgelegt ist, werden alle Strahlen des gebrochenen Lichtstrahls bis auf diejenigen, die durch einen Schlitz in einer bekannten Radialposition hindurchtreten, gegenüber dem Detektor abgeschirmt. Dieses Bekanntsein der festen Radialposition des gebrochenen Strahls gewährleistet bei der geschilderten, bisherigen Vorrichtung ein praktisch fehlerfreies Ausgangssignal ohne die Meßfehler, die anderenfalls bei dickeren Linsen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zur Messung der Brechungswerte eines Linsensystems und insbesondere auch einer Maske für eine solche Vorrichtung.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Brechungseigenschaften eines optischen Systems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Meridionalschnitts eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 3, 4 und 5 Aufsichten auf verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Masken.

Gemäß Fig. 1 ist wie bei der Vorrichtung nach der US-PS 4 007 ein Linsensystem 10 in den Strahlengang eines Lichtstrahls oder

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-bündeis 12 einer vorbestimmten Radialbreite (W^) eingeschaltet. Der Strahl 12 wird dabei von einer allgemein mit 14 bezeichneten Einrichtung erzeugt. Das Linsensystem 10 ist durch eine hintere Hauptebene 22 sowie vordere und hintere Scheitelebenen 24 bzw. 26 dargestellt, und es besitzt einen Schnittweitenpunkt 28 „ Der Strahl 12 läuft in einem vorbestimmten zentralen (centroidal) Radius r_Q um die optische Achse des Linsensystems 10 um, so daß er effektiv einen kreisförmigen (geometrischen) Ort bzw. Ring auf der hinteren Hauptebene 22 beschreibt. Der Strahl 12 wird durch das Linsensystem 10 so gebrochen, daß jeder Einzelstrahl effektiv in einer geraden Linie von seinem Schnittpunkt mit der Hauptebene 22 durch den Brenn- oder Schnittweitenpunkt verläuft und einen kreisförmigen oder ungefähr elliptischen Ort (locus) auf einer nachgeschalteten parallelen Ebene beschreibt^ die in einer vorbestimmten Axialposition vorn Linsensystem 10 angeordnet ist. Ein linearer, ortsbestimmender oder lagenfühlender Photodetektor 30, der im Gleichlauf mit dem Abtaststrahl 12 umläuft, dient zur Messung der Parameter des geometrischen Orts, um auf meridionaler Basis ein Signal zu liefern, welches den augenblicklichen Schnittpunkt der gebrochenen Strahlen mit der nachgeschalteten bzw. bildseitigen Ebene angibt» Die Ausgangssignale des Photodetektors 30 werden einem geeigneten Signalprozessor 32 eingegeben, der effektiv die verschiedenen Frequenzkomponenten des Photodetektor-Ausgangssignals trennt und Signale erzeugt, welche die verschiedenen optischen Parameter des Systems 10 bezeichnen. Die Parametersignale werden einer zweckmäßigen Nutzvorrichtung 34, etwa einer Anzeigevorrichtung, eingegeben. Bezüglich der Einzelheiten des Photodetektors 30, des Signalprozessors 32 und der Nutzeinrichtung 34 wird auf die genannte US-PS verwiesen.

Vor der Erläuterung der Messung des bildseitigen Scheitelbrechwerts mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zum besseren Verständnis der Erfindung die Ableitung der effektiven

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Brennweite (fg) mittels der erwähnten, bisherigen Vorrichtung beschrieben. In Fig. 2 ist das Linsensystem 10 in Form einer sphärozylindrischen Linse mit einer hinteren (bildseitigen) Hauptebene 22 sowie Vorder- und Rückseiten 40 bzw. 42 dargestellt, wobei die Fläche 42 einen in der Ebene 26 liegenden Scheitel besitzt. Die Linse 10 ist im Strahlengang des Lichtstrahls 12 mittels eines Linsenhaitekonus 44 so gehaltert, daß die Linsenachse auf der Umlauf-Abtastachse zentriert ist. Erfindungsgemäß enthält der Konus 44 vorzugsweise eine noch zu erläuternde Maske 36. Im folgenden sei zunächst die Maske 36 als nicht vorhanden betrachtet. Bei Betrachtung eines vorgegebenen Meridionalschnitts (meridian) der Linse 10 trifft ein zentroidaler (durch den Brennpunkt verlaufender) Strahl parallel zur Drehachse des Strahlenbündels 12 auf dem Radius r von der Dreh- und Linsenachse auf die Linse 10 auf. Der Strahl 48 wird daher so gebrochen, daß er effektiv von der Hauptebene 22 in einer geraden Linie 22 durch den Brennpunkt zu einem Punkt 50 auf der Ebene des Detektors 30 verläuft. Der Strahl 48 wird dabei über eine Strecke s_Q gegenüber dem Punkt 52 abgelenkt, an welchem er die Ebene des Detektors 30 schneiden würde, wenn er nicht gebrochen worden wäre.

Die Linse 10 bricht den Strahl 48 unter einem Winkel f₀ mit einem Tangens gemäß folgender Gleichung:

^tan To - ^so^/(dd ^{+ d}v ⁺

in welcher d^ den bekannten Abstand zwischen dem Detektor 30 und dem Haltekonus 44, d den Abstand zwischen dem Haltekonus 44 und dem Scheitel 42 und k^ den Abstand vom hinteren Scheitel 42 zur hinteren Hauptebene 22 bedeuten. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein ähnlicher Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl 48 und der Zentralachse des Linsensystems gebildet wird. Der Tangens des Brechungswinkels ist daher auch gleich dem Abtastradius r über die effektive Brennweite f- der Linse im

O Ji

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augenblicklich abgetasteten Meridionalschnitt. Bei Gleichsetzung der beiden Ausdrücke für den Tangens des Brechungswinkels kann die effektive Wirkung bzw. Stärke der Linse (F„), d.h. der Reziprokwert der effektiven Brennweite (fg)> als s_q ausgedrückt werden. Genauer gesagt, ergibt sich:

^FE = V^ro <^dd ^{+ d}v ^{+ k}b> W

Eine geeignete Einrichtung, wie der Photodetektor 30, gibt eine Anzeige für die Abweichung s_Q und daher für die effektive Linsenstärke F„ oder den bildseitigen Scheitelbrechwert F_ß. Die vom Detektor 30 ermittelte Abweichung s , bei Normalisierung für den Strahlabtastradius r_Q und den Abstand zwischen Detektor und hinterer Hauptebene der Linse, ist daher für die effektive sphärische Wirkung der Linse im betreffenden Meridionalschnitt repräsentativ. Wenn die Linse 10 etwas dezentriert ist, gibt der Mittelwert der jeweiligen, in gegenüberliegenden Meridionalschnitten gemessenen Stärken die echte oder tatsächliche Linsenstärke in diesen Meridionalschnitten an, und der Unterschied zwischen den Stärken in einem vorgegebenen Meridionals chnitt und dem gegenüberliegenden Meridionalschnitt stellt den Linsen-Dezentrierungs- oder -Prismenwert in diesem Meridionalschnitt dar. Wenn daher das Strahlenbündel 12 die Linse 10 umlaufend abtastet, erzeugt ein lagenfühlender Photodetektor 30, der in der nachgeschalteten Ebene angeordnet ist und im Gleichlauf mit dem Lichtstrahlenbündel rotiert, ein elektrisches Ausgangssignal, das für die augenblickliche Abweichung des gebrochenen Strahlenbündels von der Position eines nicht gebrochenen Strahlenbündels repräsentativ ist. Wie in der genannten US-PS erläutert, besteht das Ausgangssignal des Photodetektors aus trennbaren Frequenzkomponenten, die für die jeweiligen Parameter repräsentativ sind, nämlich einer die durchschnittliche oder mittlere sphärische Wirkung angebenden Gleichstromkomponente, einer den Prismen- oder Dezentrie-

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rungs-Parametern entsprechenden Komponente bei der Abtastfrequenz und einer für die Zylinderparameter repräsentativen Komponente beim Doppelten der Abtastfrequenz. Die Messung der Linsenparameter kann selbstverständlich auch auf Meridional-Meridional-Basis erfolgen, und für die Anzeige von s können andere Einrichtungen als ein Photodetektor verwendet werden.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß von den den Abstand zwischen dem Detektor und der hinteren Hauptebene bestimmenden Faktoren (terms) nur der Detektor/Träger-Abstand d-, für alle mittels dieser Anordnung untersuchten Linsen konstant ist. Daher ist es zweckmäßig, eine Normalisierung nur für den Strahlabtastradius r und den Abstand d^ zwischen Detektor und Träger vorzunehmen. Mit entsprechender Abwandlung wird Gleichung (2) zu

^FE = V^ro ^dd <^{1 +} V^dd ⁺ V^dd> - ^kn ^s worin k_n = 1/r_Q d_d;

ε₂ = k_b/d_d

bedeuten.

Die gemessene Abweichung s ist daher für die effektive Linsenstärke repräsentativ, modifiziert mit zwei Fehierausdrücken E₁ und £-₂> als "Hubfehler" (lift error) bzw. "Dicken-Formfehler" (thickness-shape error) bezeichnet.

Es ist weiterhin zu berücksichtigen, daß die Parameter von ophthalmischen bzw. Augenlinsen im allgemeinen als Scheitelstärke bzw. -wert und nicht als Effektivstärke oder -wert angegeben werden. Der bildseitige Scheitelbrechwert läßt sich wie folgt ausdrücken:

τ? _ α /(r> ή } M 4- ή la Ic /ή (<* /ν - 1 Υ7 (U)

^FB " o^/tro ^dd^; '- ⁺ S^⁴Cl ^Kb^/ad ^^so^/ro U ^'

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Die Abweichung s gibt daher auch den bildseitigen Scheitelbrechwert der Linse 10 im augenblicklichen bzw. betreffenden Meridionalschnitt, modifiziert durch den Hubfehler £.^ und den Formdickenfehler £p ^an:

^FB ⁼

Der Hub fehle raus druck fc",, ist allgemein unbedeutend, während der Formdickenfehlerausdruck £₂ oftmals beträchtlich ist« Letzterer ist der Vorderkrümmungsdicke und dem Materialindex der Linse 10 proportional und effektiv ein Maß für den Unterschied in der radialen Höhe des in die Frontfläche der Linse einfallenden Strahls und der Höhe des gebrochenen, an der Rückseite der Linse 10 austretenden Strahls, Eine sehr dünne Linse oder eine solche mit einer flachen Vorderfläche hätte also einen Formdickenfehler, der sich Null annäherte Ophthalmische Linsen besitzen jedoch häufig eine Dicke von bis zu 10 mm und typischerweise eine gekrümmte Stirn- oder Vorderseite_o Darüber hinaus ist es häufig wünschenswert, sowohl den Vorder- als auch den Rückseiten-Stärkenwert zu messen₀ Die Fehlergröße für ophthalmische Linsen läßt sich jedoch im allgemeinen nach Industrienormen dadurch abschätzen, daß die Dicke der Linse gemessen und ein der gemessenen Stärke und Dicke entsprechen·= der Fehlerwert zugrundegelegt wird«, Für nicht-ophthalmische Linsen oder gleichzeitig für ophthalmische Umkehrlinsen (reversed ophthalmic lenses) läßt sich keine derartige Schätzung durchführen. Obgleich diese Schätzungen oder Annäherungen im allgemeinen ausreichen, ist es vorteilhaft, den Formdickenfehler auszuschalten und eine unmittelbare Anzeige für den tatsächlichen Scheitelbrechwert der Linse zu erhaltene

Erfindungsgemäß wird nun eine solche unmittelbare Anzeige oder Angabe des Scheitelbrechwerts der Linse 10 durch Einfügung einer Maske 36 in einer parallel zur hinteren Hauptebene der Linse 10 liegenden Zwischenebene in einem vorbestimmten Abstand

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von der Scheitelebene 26 gewährleistet. Diese Maske 36 läßt zum Detektor 30 innerhalb eines vorgegebenen Meridionalschnitts nur die Strahlen des Strahlenbündels 12 durch, welche durch einen in der Maske vorgesehenen Ort oder eine Öffnung 38, der bzw. die einen vorbestimmten Bereich (range) in radialen Abständen von der Achse festlegt, hindurchgehen. Die Öffnung (Apertur) 38 besitzt eine vorbestimmte radiale Breite ¥_e auf einem Radius r , so daß sie radial von dem durch das Strahlenbündel 12 auf der Ebene der Maske 36 bestimmten Ort umschlossen wird. Wie noch näher erläutert werden wird, liefert der Photodetektor 30 ein Signal, welches die meridionale Radialabweichung der durch das Zentrum der Öffnung 30 hindurchtretenden Strahlen aufgrund der Brechung durch das optische System 10 angibt. Da die Abstände zwischen der Öffnung 38 und dem Photodetektor 30 sowie zwischen der Öffnung 38 und dem bildseitigen Scheitel 26 der Linse 10 ebenso wie der radiale Abstand der Öffnung 38 von der Zentralachse bekannt sind, kann der Brechwert des bildseitigen Scheitels der Linse 10 im jeweiligen Meridionalschnitt berechnet werden.

Weiterhin wird bei der Vorrichtung gemäß der genannten US-PS der Formdickenfehler S₂ durch Einschaltung der erfindungsgemäßen Maske 36 vermieden. Wie erwähnt, beruht dieser Fehler darauf, daß die radiale Höhe eines vorgegebenen Strahls, wenn er die Scheitelfläche 26 schneidet, unbekannt ist und nicht ohne weiteres bestimmt werden kann, weil der Abstand von der hinteren (bildseitigen) Hauptebene zum Scheitel ebenfalls unbekannt ist. Die Öffnung oder Apertur 38 liefert dagegen einen festen Bezugspunkt, so daß die Höhe eines vorgegebenen Strahls in einem bekannten Axialabstand vom Linsenscheitel vorbestimmt ist, um dadurch eine Bestimmung des Scheitelbrechwerts zu ermöglichen.

Gemäß Fig. 2 sei wiederum ein vorgegebener Meridionalschnitt betrachtet. Die Linse 10 bricht dabei den mit 60 bezeichneten, durch das Zentrum der Öffnung 38 hindurchtretenden Lichtstrahl

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unter einem Winkel-γ- , so daß der Strahl 60 die Ebene oder Fläche des Detektors 30 an einem Punkt 62 schneidet. Ohne Refraktion bzw. Brechung des Lichtstrahlenbündels 12, d.h. bei nicht vorhandener Linse 10, würde der durch das Zentrum der Öffnung 38 hindurchgehende Strahl an einem Punkt 52 auf den Detektor 30 fallen.

Die Öffnung 38 sollte unabhängig von der Größe der Brechung durch die Linse 10 innerhalb des durch das Strahlenbündel 12 auf der Maske 36 bestimmten Orts verbleiben. Zu diesem Zweck ist der Radius r_ der Öffnung 38 vorzugsweise praktisch gleich

El

dem Zentroidradius r_Q des einfallenden Strahlenbündels 12, während letzteres in Radialrichtung vorzugsweise so breit ist, daß eine Deckung der Öffnung 38 durch das gebrochene Strahlenbündel 12 sichergestellt ist.

Der Detektor 30 ist so angeordnet und ausgelegt, daß er ein Signal liefert, welches den Abstand s zwischen dem Punkt 52

CX

und dem tatsächlichen Schnittpunkt 62 angibt. Der Abstand s_a gibt seinerseits den Scheitelbrechwert F-n der Linse 10 an. Der Tangens des Brechungswinkels -γ ist gleich der Strecke s_o über den Detektor zum Maskenabstand d^. Nach dem Ähnlichkeitsgesetz bei Dreiecken kann diese Beziehung dem "Verhältnis von Öffnungsradius r_ zu Abstand zwischen Maske und Brennpunkt 28

3.

gleichgesetzt werden, was sich mathematisch wie folgt ausdrücken läßt:

worin s die gemessene Abweichung des Brechungsorts in der

Ql

Ebene des Detektors 30, f^ die Schnittweite zwischen Scheitel 42 und Brennpunkt 28 und d den Abstand zwischen Linsenscheitel und Maske bedeuten. Wie durch die folgende Gleichung mathe matisch ausgedrückt, ist daher die gemessene Abweichung s_aS

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wenn sie für Öffnungsradius r und Detektor/Masken-Abstand normalisiert ist, ein direktes Maß für den Scheitelbrechwert in diesem Meridian:

^FB = ¹/^fb - ^(sa/^ra ^dd>/^^{1 + d}v ^sa/^ra ^dä) ™

Wie vorher angegeben, nähert sich die Größe d im allgemeinen dem Wert Null, so daß sie vernachlässigt werden kann. Weiterhin ist der Hubausdruck (lift term) (d s /r d,) dem Hubausdruck bei den allgemein angewandten manuellen Scheitelbrechwertmessern äquivalent.

Gleichung (7) gibt voll den bildseitigen Scheitelbrechwert des Linsensystems wieder, wenn dieses zentriert und nicht anamorphotisch ist, d.h. wenn die optischen Eigenschaften des Linsensystems in allen Meridionalschnitten identisch sind. Diese einfache Meridional(schnitt)messung könnte von praktischem Nutzen auf einer optischen Prüfbank zur Bestimmung beispielsweise der Schnittweite von negativen Linsen sein. In diesem Fall würde die Öffnung oder Apertur 358 in Feinlochform vorliegen und an der bildseitigen Scheitelebene der Linse, im Lichtstrahlenbündel 12 zentriert, angeordnet sein. Die Linse kann (parallel) um ein bekanntes Stück aus der zentrierten Stellung versetzt sein.

Zur Ermöglichung einer Messung der Brechungseigenschaften eines Entzerrungslinsensystems (Anamorphot), etwa einer sphärozylindrischen Linse, muß eine Messung der Brechungseigenschaften in einer Anzahl von Meridionals chnitten durchgeführt werden. Zur Durchführung einer derartigen Messung wird eine effektive Rotationsabtastung des Linsensystems angewandt. Die augenblickliche oder jeweilige Abweichung s . in einem untersuchten Meridionalschnitt im Verlauf der effektiven Abtastung gemessen, ist bei Normalisierung auf die angegebene

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Weise für den bildseitigen Scheitelbrechwert der sphärozylindrischen Linse in diesem Meridionalschnitt repräsentativ. Der Mittelwert der Ablesungen in gegenüberliegenden Meridionalschnitten und der Unterschied zwischen ihnen liefern somit den echten bildseitigen Scheitelbrechwert in diesen Meridionalschnitten für eine dezentrierte Linse bzw. den Prismenwert der Linse in diesen Meridionalschnitten. Der Mittelwert aller Meridionalanzeigen oder -ablesungen stellt die mittlere sphärische Wirkung des bildseitigen Linsenscheitels (mean back vertex sphere power) der sphärozylindrischen Linse dar.

Die effektive Abtastung kann auf verschiedenartige Weise erfolgen. Das Linsensystem kann gegenüber einem ortsfesten Lichtstrahlenbündel 12 und der Öffnung 38 durch eine in den Haltekonus 44 einbezogenen Einrichtung in Drehung versetzt werden. Dieses Verfahren kann auf einer optischen Prüfbank vorteilhaft sein. Eine kreisförmige Abtastung mittels eines kollimierten Lichtstrahlenbündels 12, das parallel zur Drehachse liegt, wird jedoch bevorzugte Wie erwähnt;, wird durch eine solche Abtastung ohne weiteres eine Anzeige für die Zentrier- .bzw. Prismenparameter der Linse sowie für die mittleren sphärischen und zylindrischen Parameter des Linsensystems geliefert. Eine Feinloch-Apertur kann mittels einer in den Haltekonus 44 einbezogenen Einrichtung hinter dem Linsensystem 10 im Gleiclilauf mit dem Strahlenbündel 12 gedreht werden,, Dabei kann jedoch der Mechnismus zum Drehen der Apertur oder Öffnung in manchen Fällen komplex und praktisch ungünstig sein. Eine bevorzugte Alternative für das Drehen einer Feinloch-Apertur ist eine ortsfeste Apertur am bildseitigen Linsenscheitel in Form eines Kreisrings mit konstantem Radius

r_ und konstanter radialer Breite W„_o Die Ringöffnung ist da= y. et

bei an der Spitze des Haltekonus 44 angeordnet und auf die Rotations-Abtastachse zentrierte

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Bei Verwendung einer Ringöffnung oder -apertur sollte das Strahlenbündel 12 in Radialrichtung so breit sein, daß es den beleuchteten Teil des Kreisrings 38 radial bedeckt. Das Bündel 12 sollte andererseits in Tangentialrichtung so schmal wie möglich sein, um auf dem Detektor 30 eine Ringsegmentprojektion mit verhältnismäßig kleiner Bogenlänge zu bilden. Ein tangential schmaler, radial breiter Abtaststrahl kann durch Zentrieren eines Schlitzes auf dem Umlaufabtaster oder durch eine beliebige andere, an sich bekannte Einrichtung gebildet werden.

Die Bogenlänge der Ringsegmentprojektion vom Kreisring 38 kann dann wesentlich sein, wenn der Detektor 30 von der Art ist, welche effektiv das Zentroid der Lichtprojektion mißt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Radial- und Tangentialabmessungen des Strahlenbündels 12 am Detektor 30 im Vergleich zu den entsprechenden Maßen in der Ebene des Kreisrings 38 um einen Faktor M vergrößert werden, welcher der folgenden Gleichung entspricht:

M = V_d/W_a = (s_a/r_a -1)«(d_d F_B - 1) (8)

Wenn die tangentiale Bogenlänge der Projektion auf dem Detektor 30 im Vergleich zu ihrer radialen Breite groß ist, muß eine geringfügige Kompensation für Zentroid- bzw. Flächenschwerpunkteffekte der Ringsegmentprojektion vorgenommen werden.

Der Kreisringradius r wird entsprechend der Vielfalt der

el

mittels dieser Vorrichtung zu untersuchenden Linsen gewählt. Beispielsweise eignet sich ein Kreisring mit einem Radius von 2 mm und einer Breite von 0,2 mm für optische Systeme bis herab zu Kontaktlinsen. Um sicherzustellen, daß dieser Kreisring über einen weiten Bereich von Linsenstärken und

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De Zentrierungen hinweg innerhalb des (geometrischen) Orts des gebrochenen Strahlenbündels verbleibt, wird eine Strahlbündelbreite von 1,6 mm oder mehr bevorzugt. Übliche Laser-Geräte liefern Strahlen mit Breiten zwischen 0,5 mm und 0,8 mm, so daß die Anwendung einer Strahlspreizeinriciitung erforderlich v/erden kann. Die das Strahlenbündel 12 liefernde Einrichtung 14 (Fig. 1) umfaßt daher zweckmäßig einen üblichen Strahlspreizer 18, der zwischen eine gewöhnliche Lichtquelle 16 und einen Strahlabtaster 20 der in der genannten US-PS beschriebenen Art eingeschaltet ist.

Verschiedene Ausführungsformen der Maske 36 sind in den Fig. bis 6 dargestellt. Die Maske 36 kann dabei ein einheitlicher Teil des Linsenhaltekonus 44 oder ein getrennter Einsatz sein. Gemäß Fig. 3 kann die Maske 36 beispielsweise aus einer Glasscheibe bestehen, die ganzflächig, mit Ausnahme am Kreisring 38, mit einem undurchsichtigen Material beschichtet ist. Wie vorstellend angegeben, besitzt der Kreisring 38 zweckmäßig einen Durchmesser von 4 mm und eine Apertur- bzw. Öffnungsbreite von 0,2 mm.

Erfindungsgemäß hat es sich jedoch herausgestellt, daß durch die Reflexionseigenschaften von Glas in bestimmten Fällen ein kleiner, aber wesentlicher Fehler in das System eingeführt werden kann. Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfaßt der Kreisring 38 daher eine luftgefüllte Öffnung bzw. Apertur. Löchmasken dieser Art sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Diese Masken sind vorzugsweise aus Metall hergestellt und als einheitlicher Teil des Haltekonus 44 ausgebildet. Wenn der Haltekonus im Vergleich zu der zu untersuchenden Linse klein ist, liegt er ersichtlicherweise im allgemeinen flach an der Linsenfläche an, so daß Linsenscheitel und Maske 36, praktisch gesehen, ungefähr in derselben Ebene liegen.

Ersichtlicherweise muß eine luftgefüllte Kreisringöffnung be-

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stimmte Elemente, wie Rippen oder Speichen, aufweisen, um die räumliche Beziehung zwischen Innen- und Außenteilen der Maske aufrechtzuerhalten. Derartige Tragelemente, insbesondere wenn sie mit dem Haltekonus einstückig ausgebildet und daher undurchsichtig sind, stören den Durchgang des gebrochenen Abtaststrahlenbündels zum Detektor 30, woraus sich Störkomponenten im Detektor-Ausgangssignal ergeben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Frequenz der Störkomponenten vorherbestimmbar ist. Wenn, die Tragelemente auf symmetrische Abstände um den ganzen Kreisring herum verteilt sind, treten sie mit Frequenzen entsprechend der Zahl dieser Elemente, multipliziert mit der Abtastfrequenz, und bei den Harmonischen derselben auf. Eine ähnliche Feststellung läßt sich für asymmetrisch angeordnete Tragelemente in Form einer Anzahl von Frequenzkomponenten treffen. In diesem Fall können jedoch bei der Abtastfrequenz und bei der doppelten Abtastfrequenz Störfrequenzkomponenten mit Amplituden vorhanden sein, die von der Art bzw. Größe der Asymmetrie abhängen. Da die Frequenzkomponenten des Detektor-Ausgangssignals bei der Abtastfrequenz und bei der doppelten Abtastfrequenz in einem Abtastsystem, wie erwähnt, Informationen über die vermessene Linse enthalten, können diese Störkomponenten beträchtliche Fehler einführen. Indem die Tragelemente in vorbestimmten Relativpositionen, vorzugsweise symmetrisch, angeordnet werden, und die Zahl dieser Elemente zweckmäßig gewählt wird, kann somit erfindungsgemäß gewährleistet werden, daß die Störkomponenten und die Schwebungsfrequenzen zwischen den Störkomponenten und den Informationsfrequenzen nicht bei den interessierenden Frequenzen, nämlich bei der Abtastfrequenz und der doppelten Abtastfrequenz auftreten. Auf diese Weise wird eine Frequenzunterscheidung ermöglicht, und die Störsignale beeinträchtigen nicht die Informationssignale. Es hat sich erwiesen, daß Kreisringe mit fünf Speichen und dreiundzwanzig Speichen, wie sie in den Fig. 4 bzw. 5 dargestellt sind, trennbare Störfrequenzkomponenten erzeugen_o

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Außerdem kann den Störkomponenten eine niedrige Amplitude verliehen werden, indem ein Strahlenbündel benutzt wird, dessen tangentiale Breite größer ist als die Breite einer Speiche.

Die Störsignale können eine kleine Gleichstrom- oder -Spannungskomponente enthalten, welche das GIeichspannungs-Informationssignal effektiv verschiebt. Diese Verschiebung ist jedoch ein konstanter Maschinenparameter, der im Signalprozessor kompensiert werden kann.

Obgleich vorstehend nur eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, soll die Erfindung keinesfalls darauf beschränkt sein, sondern alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen und Abwandlungen mit einschließen,,

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Vorrichtung zur Messung der Brechungseigenschaften eines optischen Systems geschaffen, die ein Lichtstrahlenbündel verwendet, welches eine Abtastung auf einem Kreis eines vorbestimmten Radius um die Zentralachse des optischen Systems herum ausführt und einen gebrochenen Strahl bildete Eine im wesentlichen undurchsichtige Maske mit durchsichtigen Kreisringabschnitten einer speziellen Konfiguration, ist in den Strahlengang des gebrochenen Strahls eingeschaltet, um Fehler aufgrund der Abweichungen der radialen Höhe vom Abtastradius des gebrochenen Strahls bei dessen Austritt aus dem optischen System infolge der Brechung im Inneren dieses Systems zu beseitigen,, Ein ortsbestimmender oder stellungsfühlender Photodetektor erzeugt ein Signal, welches die augenblickliche bzw_o jeweilige Position in einer vorgegebenen Ebene des durch die Maske hindurchfallen= den Teils des Strahlenbündels aufgrund der Brechung angibt. Das Photodetektor-Ausgangssignal wird sodann verarbeitet, um eine Anzeige für die Brechungseigenschaften zu liefern₀

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Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Vorrichtung zur Messung des Scheitelbrechwerts eines Linsensystems mit einer Zentralachse, einer effektiven Grund- oder Hauptebene, einem (Linsen«)Scheitel und einem Brennpunkt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bündels aus parallelen Lichtstrahlen, das parallel zur Zentralachse in einem ersten vorbestimmten Radialabstand von dieser liegt, auf das Linsensystem auftrifft und durch letzteres so gebrochen wird, daß das Strahlenbündel praktisch einen ersten (geometrischen) Ort auf der Hauptebene festlegt und davon effektiv in einer geraden Linie durch den Brennpunkt verläuft, um einen zweiten (geometrischen) Ort auf einer in einem ersten vorbestimmten Axialabstand längs der Zentralachse vom Linsenscheitel parallel zur Hauptebene angeordneten Zwischenebene zu bilden und einen Teil einer nachgeschalteten Ebene zu beleuchten, die parallel zur Haupteben© in einem zweiten vorbestimmten Abstand längs der Zentralachse von der Zwischenebene angeordnet ist, durch eine Einrichtung, die zur nachgeschalteten Ebene nur den Teil des Strahlenbündels durchläßt, der durch einen dritten (geometrischen) Ort z.B. innerhalb des zweiten Orts auf der Zwischenebene hindurchtritt, wobei dieser dritte Ort ein kleineres Radialmaß besitzt als der zweite Ort und in einem zweiten

   - 2

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   vorbestimmten Radialabstand von der Zentralachse angeordnet ist, wobei die zur nachgeschalteten Ebene durchgelassenen Teile des gebrochenen Strahlenbündels einen vierten (geometrischen) Ort auf dieser nachgeschalteten Ebene festlegen, während die auf die nachgeschaltete Ebene fallenden Teile des nicht gebrochenen Strahlenbündels bestrebt wären, einen fünften (geometrischen) Ort auf dieser nachgeschalteten Ebene zu bilden, und durch eine auf die durch den dritten Ort hindurchtretenden Strahlenbündelanteile ansprechende Einrichtung zur Lieferung einer Anzeige für den Unterschied in der Radialstellung zwischen viertem und fünftem Ort in der nachgeschalteten Ebene, wobei diese Anzeige für den Scheitelbrechwert des optischen Systems repräsentativ ist.

   2. Vorrichtung zur Messung des Scheitelbrechwerts eines optischen Systems mit einem (Linsen-)Scheitel und einem Brennpunkt, die eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bündels aus parallelen Lichtstrahlen, welches in einer vorbestimmten radialen Entfernung von einer vorbestimmten Zentralachse und parallel zu dieser auf das optische System auftrifft, welches seinerseits das Strahlenbündel derart bricht, daß es effektiv durch den Brennpunkt verläuft, einen (geometrischen) Ort auf einer Zwischenebene festlegt oder beschreibt und einen Teil einer nachgeschalteten Ebene beleuchtet, wobei sich die Zwischenebene und die nachgeschaltete Ebene jeweils in vorbestimmten Abständen vom Linsenscheitel befinden, und eine Einrichtung zur Lieferung einer Anzeige für die radialen Lagenabweichungen des Strahlenbündels in der nachgeschalteten Ebene infolge der Brechung durch das optische System aufweist, wobei diese Anzeige für die Brechungseigenschaften repräsentativ ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Bildung einer Öffnung oder Apertur

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   innerhalb des (geometrischen) Orts in der Zwischenebene vorgesehen ist, daß die Öffnung ein kleineres Radialmaß besitzt als der zweite Ort und in einem vorbestimmten radialen Abstand von der Zentralachse angeordnet ist und daß diese Einrichtung nur den Teil des gebrochenen Strahlenbündels, der durch die Öffnung hindurchfällt, zur nachgeschalteten Ebene durchläßt, wobei die radiale Lagenabweichung den Brechwert des optischen Systems angibt_o

   Vorrichtung zur Messung der Brechungseigenschaften eines Linsensystems mit einem (Linsen·= )Scheitel und einer optischen Achse, die eine Lichtquelle zur Lieferung eines kollimierten Lichtstrahls, eine Einrichtung zur Anordnung des optischen Systems im Strahlengang des Lichtstrahls in der Weise, daß letzterer parallel zur optischen Achse und in einem vorgegebenen Herdidionalschnitt des Linsensystems liegt, um einen gebrochenen Lichtstrahl zu erzeugen, welcher einen Teil einer nachgeschalteten, senkrecht zur optisehen Achse stehenden Ebene beleuchtet, und eine auf die radiale Position des gebrochenen Lichtstrahls in der nachgeschalteten Ebene ansprechende Einrichtung für die Lieferung einer Anzeige der Brechungseigenschaften im vorgegebenen Meridionalschnitt aufweist, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gebrochene Lichtstrahl einen (geometrischen) Ort in einer mittleren bzw_o Zwischenebene zwischen dem Linsensystem und der nachgeschalteten Ebene und in einem vorbestimmten Axialabstand vom Linsenscheitel des optischen Systems beschreibt, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die zur nachgeschalteten Ebene nur die durch eine festgelegte Öffnung oder Apertur in der Zwischenebene hindurchgehenden Teile des gebrochenen Lichtstrahls durchläßt, daß sich die Öffnung innerhalb des (geometrischen) Orts in einem vorbestimmten radialen Abstand von der Achse befindet und vorbestimmte

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   radiale Abmessungen besitzt, die kleiner sind als die Radialabmessung des (geometrischen) Orts, und daß die Anzeige den Unterschied zwischen der augenblicklichen bzw. jeweiligen Radialposition des gebrochenen Lichtstrahlenteils auf der nachgeschalteten Ebene und dem vorbestimmten Radialabstand der Öffnung und damit den Brechwert des Linsensystems im vorgegebenen Meridionalschnitt wiedergibt.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem eine sphärozylindrische Linse umfaßt und daß eine Einrichtung zum Drehen des Linsensystems gegenüber dem Lichtstrahlenbündel und der öffnung bzw. Apertur vorgesehen ist, um dadurch den vorgegebenen Meridionalschnitt zur Lieferung einer Anzeige für die Brechungseigenschaften des sphärozylindrischen Linsensystems zu ändern.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum effektiven Abtasten mit dem Lichtstrahlenbündel um eine parallel zur optischen Achse verlaufende Achse herum und eine Einrichtung zum Drehen der Öffnung im Gleichlauf mit dem Strahlenbündel vorgesehen sind und daß die Öffnung die Form eines Feinlochs besitzt.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2„oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum effektiven Abtasten mit dem Lichtstrahlenbündel um eine parallel zur optischen Achse liegende Achse herum vorgesehen ist und daß die Öffnung in Form eines Kreisrings mit konstantem Radius und konstanter radialer Breite vorliegt, der auf der Drehachse zentriert ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung ein Ausgangssignal praktisch entsprechend

   ^ra ^da V<¹ - ^d

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   liefert, worin F-o den Scheitelbrechwert des optischen Systems, r den vorbestimmten Radialabstand des vierten (geometrischen) Orts, ά den Abstand zwischen Zwischen-

   el

   ebene und nachgeschalteter Ebene und d_v den vorbestimmten Abstand zwischen der Zwischenebene und dem Linsenscheitel des optischen Systems bedeuten_o

   8. Vorrichtung zur Messung der Brechungseigenschaften eines sphärozylindrischen optischen Systems mit einem (Linsen-)-Scheitel, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines kollimierten Strahlenbündels einer vorbestimmten radialen Strahlbreite, durch eine Einrichtung zur Durchführung einer kreisförmigen Abtastung mit dem Strahlenbündel parallel zu einer vorbestimmten Drehachse auf einem vorbestimmten Abtastradius zur Beleuchtung des optischen Systems und zur Erzeugung eines gebrochenen Abtaststrahls, durch eine im wesentlichen undurchsichtige, in einer vorbestimmten Axialposition von Linsenscheitel angeordnete Maske, die einen durchsichtigen Kreisringabschnitt mit vorbestimmtem Radius und vorbestimmter radialer Breite aufweist, der seinerseits im Strahlengang des gebrochenen Lichtstrahls angeordnet ist und dessen radiale Breite kleiner ist als die vorbestimmte radiale Breite des Strahlenbündels, durch einen in einem vorbestimmten Axialabstand von der Maske angeordneten Photodetektor zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine Änderung des Radialabstands des augenblicklichen bzw. jeweiligen Schnittpunkts des Strahlenbündels mit dem Photodetektor infolge der Brechung durch das optische System gegenüber dem vorbestimmten Radius angibt, und durch eine auf die Ausgangssignale des Photodetektors ansprechende Signalverarbeitungseinrichtung zur Lieferung von die Brechungseigenschaften angebenden Signalen.

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   9. Vorrichtlang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Kreisrings praktisch dem Abtastradius entspricht.

   10. Vorrichtung zur Messung der Brechungseigenschaften eines sphärozylindrischen optischen Systems mit einem (Linsen-)-Scheitel und einem Brennpunkt, bestehend aus einer Lichtquelle zur Lieferung eines kollimierten Lichtstrahlenbündels einer vorbestimmten Strahlbreite in einer vorbestimmten Richtung, einer Einrichtung zur Anordnung des optischen Systems im Strahlengang des Strahlenbündels, einer Einrichtung zur Hervorbringung einer relativen Drehung zwischen dem Strahlenbündel und dem optischen System um eine parallel zur vorbestimmten liegende Achse, so daß das Strahlenbündel das optische System effektiv abtastet und einen gebrochenen Lichtstrahl bildet, der einen Abschnitt einer nachgeschalteten, parallel zur Ebene des optischen Systems liegenden Ebene beleuchtet, einem Photodetektor zur Erzeugung eines Signals, das die augenblickliche bzw. jeweilige Meridionalradialposition des gebrochenen Lichtstrahls in der nachgeschalteten Ebene angibt und welches vorbestimmte Frequenzkomponenten enthält, welche die betreffenden Brechungseigenschaften des optischen Systems wiedergeben, und einer auf die verschiedenen Frequenzkomponenten des Photodetektor-Aus gangs signals ansprechenden Signalverarbeitungseinrichtung zur Lieferung von AusgangsSignalen zur Anzeige der betreffenden Brechungseigenschaften, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der gebrochene Lichtstrahl um einen (geometrischen) Ort in einer Zwischenebene bewegt, die parallel zur Ebene des optischen Systems und in einem vorbestimmten Axialabstand vom Linsenscheitel liegt, daß eine Einrichtung mit einer ringförmigen Öffnung oder Apertur vorgesehen ist, die zur nachgeschalteten Ebene nur den durch diese Öffnung hindurch-

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   tretenden Teil des Lichtstrahls durchläßt, daß die Öffnung einen vorbestimmten Radius und eine vorbestimmte Radialbreite besitzt und an einem dritten (geometrischen) Ort in einer Zwischenebene liegt, wobei die Radialbreite kleiner ist als die radiale Breite des dritten Orts und wobei die Abweichungen der Radialstellung des gebrochenen Strahls vom vorbestimmten Radius für den sphärischen Wert der Linse im augenblicklich bzw« jeweils abgetasteten Meridionalschnitt repräsentativ sind, daß die Öffnung eine vorbestimmte Zahl von Tragelementen zur Verbindung ihrer Innen- und Außenränder aufweist, daß die Tragelemente Störsignalkomponenten im Photodetektor-Ausgangssignal auf anderen Frequenzen als den vorbestimmten Frequenzkomponenten erzeugen und daß die Signalverarbeitungseinrichtung Einrichtungen zur Unterscheidung zwischen den vorbestimmten Frequenzkomponenten und den Störfrequenzkomponenten enthält.

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