DE3616888A1 - Einstaerken-brillenglas mit einem sich zur optischen achse rotationssymmetrisch aendernden brechungsindex - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Einstärken-Brillenglas mit einem sich zur optischen Achse rotationssymmetrisch ändernden Brechungsindex.

Brillengläser mit sich änderndem Brechungsindex sind in der Literatur mehrfach diskutiert worden. Hierzu wird beispielsweise auf den Übersichtsartikel "GRADIENT INDEX OPTICS" von W. N. Charman (The Ophthalmic Optician, 1981, S.72-84) sowie die dort angegebene Literatur verwiesen.

Wie diesem Artikel (S. 80, linke Spalte) zu entnehmen ist, sind bislang Brillengläser mit variierendem Brechungsindex als Ersatz für Brillengläser mit asphärischen Flächen bei "ähnlich guten" optischen Eigenschaften in Betracht gezogen worden (S. 80, linke Spalte folgende).

Ein Einstärken-Brillenglas gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist ferner aus der DE-OS 27 07 601 bekannt. Dieser Druckschrift ist die Lehre entnehmbar, durch eine "sorgfältige Auswahl der asphärischen Basiskurve und des Brechungsindexgradienten" Abbildungsfehler stärker zu verringern als dies allein durch eine asphärische Basiskurve möglich wäre. Hierzu wird der Brechungsindex in Radialrichtung insbesondere stufig verändert. Eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindex ist in dieser Druckschrift nur am Rande ohne konkrete technische Lehre angesprochen.

Der Frage der Reduzierung kritischer Glasdicken, d. h. der Mittendicke bei Plus-Gläsern bzw. der Randdicke bei Minus- Gläsern, wird weder in dem vorstehend genannten Artikel von W. N. Charman noch in der DE-OS 27 07 601 Beachtung geschenkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Einstärken-Brillengläser anzugeben, bei denen die kritische Dicke des Brillenglases bei mindestens gleichen Abbildungseigenschaften gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert ist.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Reduzierung der kritischen Dicke - durch die Wahl einer "flachen", kosmetisch "günstigen" Basiskurve, hierzu wird beispielsweise auf die US-PS        verwiesen - eine "gegenläufige" Forderung zur Minimierung der Abbildungsfehler darstellt. Dies gilt insbesondere für Brillengläser mit negativer Wirkung, die in der vorstehend genannten Druckschrift - wohl aus diesem Grunde - nicht angesprochen sind. Deshalb ist es - wie ebenfalls erfindungsgemäß erkannt worden ist - nicht möglich ist, allein durch Verwendung einer asphärischen Fläche die kritische Dicke und gleichzeitig die Abbildungsfehler wesentlich zu reduzieren.

Überraschenderweise gelingt jedoch eine Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe dadurch, daß von einem Einstärken-Brillenglas gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und dieses Brillenglas durch die im kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale weitergebildet wird. Dabei ist es besonders überraschend, daß es zur Verringerung der kritischen Dicke von Brillengläsern möglich ist, die Durchbiegung bzw. den Krümmungsverlauf mindestens einer der beiden Flächen ohne Rücksicht auf die Korrektur der Abbildungsfehler so auszubilden, daß die kritische Dicke des Brillenglases, also die Mittendicke bei Plus-Gläsern (Anspruch 5) bzw. die Randdicke bei Minus-Gläsern (Anspruch 9) einen bestimmten Wert nicht übersteigt. Bei homogenem Brechungsindex würden sich bei einer derartigen Wahl der asphärischen Fläche vor allem bei Minus-Gläsern - inakzeptable Abbildungseigenschaften des Brillenglases ergeben. Dennoch gelingt - wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - auch bei einer derartigen, ausschließlich auf die Minimierung der kritischen Dicke gerichteten Wahl der asphärischen Fläche, eine Korrektur der Abbildungsfehler allein durch die Variation des Brechungsindex.

Im Gegensatz zur Lehre der DE-OS 27 07 601 ist es also nicht erforderlich, sowohl den asphärischen Krümmungsverlauf als auch die Variation des Brechungsindex so zu wählen, daß die Abbildungsfehler minimiert werden, es ist vielmehr möglich, durch die Wahl der sphärischen Basiskurve bzw. des Krümmungsverlaufs asphärischer Kurven und die Variation des Brechungsindex unterschiedliche Ziele - Minimierung der kritischen Dicke bzw. Korrektur derAbbildungsfehler - zu verfolgen. Dies schließt allerdings nicht aus, daß der Krümmungsverlauf der rotationssymmetrischen asphärischen Fläche oder Flächen zusätzlich so gewählt wird, daß die Abbildungsfehler weiter verringert werden

Im Vergleich zu den in der US-PS         angegebenen Flächen wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine wesentlich größere Verringerung der kritischen Dicke (Mittendicke bei Plus-Gläsern) bzw. bei gleicher Mittendicke eine wesentlich bessere Korrektur der Abbildungsfehler erreicht.

Besonders überraschend ist es jedoch, daß es durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Einstärken-Brillengläsern möglich ist, bei vorgegebener kritischer Dicke über die in der Ophthalmologie wesentlichen Abbildungsfehler, den Refraktionsfehler R und den Astigmatismus S weitgehend frei zu verfügen:

Beispielsweise kann einer der wesentlichen Abbildungsfehler R oder S über einen weiten Blickwinkelbereich (Plusgläser) oder für alle Blickwinkel (Minusgläser) zu Null gemacht werden. Ferner können die beiden Abbildungsfehler auch in ein gewünschtes Verhältnis, beispielsweise R : S = 1 : 2 gebracht werden. Bei Verwendung eines speziell optimierten asphärischen Krümmungsverlaufs für eine oder beide Flächen ist es sogar möglich, beide Abbildungsfehler zumindestens über einen großen Blickwinkelbereich im wesentlichen zu Null zu machen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Änderung des Brechungsindex bei einem erfindungsgemäßen Brillenglas kann beispielsweise gemäß den in Fig. 3 des vorstehend genannten Artikels "GRADIENT INDEX OPTICS" dargestellten Möglichkeiten erfolgen.

Bevorzugt sind jedoch die in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen Möglichkeiten, den sich zur optischen Achse rotationssymmetrisch ändernden Brechungsindex auszugestalten. Selbstverständlich ist es auch möglich, die beiden Möglichkeiten zu überlagern bzw. zu kombinieren.

In jedem Falle erhält man eine deutliche Verringerung der kritischen Dicke bei weiterhin hervorragenden Abbildungseigenschaften. Dabei kann das Einstärken-Brillenglas mit einem Prisma versehen sein oder nicht (Anspruch 4).

Überraschenderweise ist es sogar bei Plus-Gläsern mit sphärischen Oberflächen (Anspruch 6) möglich, nicht nur durch entsprechende Wahl der beiden Krümmungsradien die Mittendicke gegenüber heute gebräuchlichen Gläsern wesentlich zu reduzieren, sondern auch die Abbildungseigenschaften, die bei homogenen Brechungsindex dann sehr viel schlechter wären, durch entsprechende Wahl des sich rotationssymmetrisch zur optischen Achse ändernden Brechungsindex wieder mindestens auf die Qualität der bekannten Plus-Gläser mit sphärischen Flächen und großer Mittendicke zurückzuführen.

Durch die Ausbildung mindestens einer der beiden Flächen als asphärische Fläche kann bei Plus-Gläsern (Anspruch 7) die Mittendicke weiter reduziert und die Korrektur der Abbildungsfehler weiter verbessert werden. Dabei ist es bei Brillengläsern mit positiver Brechkraft besonders vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 8 die asphärische Fläche die Vorderfläche ist.

Bei Minus-Gläsern gelingt durch die Ausbildung einer Fläche als rotationssymmetrische Asphäre und entsprechende Wahl des Brechungsindex eine so große Reduzierung der Randdicke (Anspruch 9), die bei einem Minus-Glas mit einer asphärischen Fläche und homogenem Brechungsindex zu unakzeptablen Abbildungseigenschaften führen würde (Anspruch 10).

Bei Minus-Gläsern ist es gemäß Anspruch 11 vorteilhaft, wenn die asphärische Fläche die Innenfläche ist.

In den Ansprüchen 12 und 13 sind verschiedene Möglichkeiten der Variation des Brechungsindex gekennzeichnet.

Selbstverständlich ist es möglich, als asphärische Fläche vergleichsweise komplizierte rotationssymmetrische Flächen zu wählen, wie sie beispielsweise durch Potenzreihenentwicklungen höheren Grades, denen gegebenenfalls eine Kegelschnitt-Funktion überlagert ist, dargestellt werden können. Die rotationssymmetrische asphärische Fläche kann ferner auch mittels "Spline-Funktionen" aufgebaut und zusätzlich zur Minimierung der Mittendicke auch hinsichtlich der Korrektur der Abbildungsfehler optimiert werden.

Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt jedoch eine beträchtliche Reduzierung der kritischen Dicke bereits mit vergleichsweise einfachen asphärischen Kurven. Die im Anspruch 14 angegebene Ausbildung der rotationssymmetrischen asphärischen Fläche stellt einen besonders vorteilhaften Kompromiß zwischen Reduzierung der kritischen Dicke und einfacher Herstellung dar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 bis 7 den Verlauf den Brechzahlfunktionen und der Abbildungsfehler für Einstärken-Brillengläser mit positiver Wirkung, sphärischen oder asphärischen Flächen und verschiedenen Mittendicken, und

Fig. 8 bis 11 den Verlauf der Brechzahlfunktionen und der Abbildungsfehler für Einstärken-Brillengläser mit negativer Wirkung, sphärischen oder asphärischen Flächen und verschiedenen Randdicken.

In sämtlichen im Folgenden vorgestellten Figuren zeigt Teilfigur a einen (maßstäblichen) Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brillenglas mit einer Vorderfläche 1 und einer augenseitigen Fläche 2. Eingezeichnet ist ferner die kritische Dicke, deren Größe durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen verringert werden soll. Die kritische Dicke ist bei Plus-Gläsern die Mittendicke d und bei Minus-Gläsern die Randdicke dr.

Weiterhin ist in Teilfigur a der Brechungsindex n als Funktion des in Millimeter angegebenen Abstandes r von der optischen Achse aufgetragen. Auf die zeichnerische Darstellung der Brechungsindexfunktion wird bezüglich der Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen.

In Teilfigur b ist der Verlauf des Astigmatismus Δ S (durchgezogene Linie) sowie des Refraktionsfehlers Δ R (gestrichelte Linie), d. h. der Abweichung der Wirkung des Brillenglases von dem sogenannten Rezeptwert als Funktion des Blickwinkels aufgetragen. Astigmatismus und Refraktionsfehler sind in Dioptrin (dpt) angegeben.

In der Tabelle sind für sämtliche in den Fig. 1 bis 10 dargestellten Brillengläser die Gesamtwirkung D (in dpt), die Wirkung D ₁ der Vorderfläche 1 und die Wirkung D ₂ der augenseitigen Fläche 2 (ebenfalls in dpt) sowie die Mittendicke d und die Randdicke dr jeweils für einen Durchmesser von 66 mm angegeben.

In den Fig. 1 bis 6 sind Brillengläser mit einer positiven Wirkung von jeweils 8,00 dpt dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Einstärken-Brillenglas mit sphärischen Flächen und homogenem Brechungsindex n ₀ = 1,525. Die Durchbiegungen der Vorderfläche 1 und der augenseitigen Fläche 2 sind so gewählt, daß sich kleine Abbildungsfehler ergeben. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, ist dann die Mittendicke d mit 8,79 mm vergleichsweise groß.

Fig. 2 zeigt ein ähnliches Glas wie Fig. 1, jedoch mit einem Brechungsindex n ₀ von 1,6. Die Durchbiegungen der beiden Flächen sind wieder so gewählt, daß die Abbildungsfehler klein sind. Die Mittendicke d wird durch die Erhöhung des Brechungsindex nur geringfügig auf 7,54 mm verringert.

Fig. 3 und 4 zeigen ein Einstärken-Brillenglas mit einer asphärischen Vorderfläche 1 und homogenem Brechungsindex n = 1.525 bzw. 1.6. Die asphärische Vorderfläche ist ein flaches Rotationshyperboloid, das der folgenden Gleichung genügt:

z = Cr ²/(1 + (1 - (K + 1)c ² r ²)^-1/2

mit
z: Pfeilhöhe,
r: Abstand von der Rotationsachse,
C = 1/R;R = Krümmungsradius der Fläche im Scheitel,
K: Kegelschnittkoeffizient.

Für C gilt:

C = 1/R = D ₁/(n - 1).

Wählt man den Kegelschnittkoeffizienten K (s. Tabelle) der asphärischen Fläche so, daß die Mittendicke d des Brillenglases nur noch etwa 60% bzw. 50% des in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten sphärischen Glases mit homogenem Brechungsindex beträgt, so ergeben sich - wie ein Vergleich der Fig. 3 bzw. 4 mit Fig. 1 bzw. Fig. 2 zeigt - nicht akzeptable Abbildungsfehler Δ R und Δ S, die bereits bei einem Blickwinkel von 20° mehr als 1 dpt betragen.

Im folgenden wird gezeigt werden, daß sich durch einen als Funktion des Abstandes r von der optischen Achse (Rotationsachse) variierenden Brechungsindex n(r) auch bei einer zu kleinen Mittendicken führenden Wahl der Durchbiegungen bzw. der Krümmungsverläufe der einzelnen Flächen überraschend große Verbesserungen der Abbildungsqualität erreichen lassen.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Einstärken-Brillenglas mit zwei sphärischen Flächen, deren Durchbiegung so gewählt ist, daß sich eine Mittendicke ergibt, die nur etwa 66% der Mittendicke des in Fig. 1 dargestellten Glases beträgt. Bei einer derartigen Wahl der Durchbiegungen würden sich bei homogenem Brechungsindex nicht tragbare Abbildungsfehler R und S ergeben, die bereits bei kleinen Blickwinkeln mehrere Dioptrin betragen würden.

Durch den als Funktion des Abstandes r von der Rotationsachse variierenden Brechungsindex n können jedoch die Abbildungsfehler Δ R und Δ S wesentlich verringert werden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ebenfalls erfindungsgemäße Einstärken- Brillengläser, bei denen der Brechungsindex nicht konstant (homogen) ist, sondern vom Abstand von der optischen Achse (Rotationsachse) abhängt. Die in Fig. 6 und 7 dargestellten Gläser entsprechen hinsichtlich den Krümmungsverläufen der beiden Flächen und dem Wert des Brechungsindex auf der Rotationsachse (r = 0) den in Fig. 3 bzw. 4 gezeigten Gläsern.

Wie der in den Teilfiguren a der Fig. 6 und 7 als Funktion des Abstandes r aufgetragene Brechungsindex n(r) zeigt, ist der Brechungsindex im zentralen Bereich mit einem Durchmesser von etwa 10-15 mm nahezu konstant und nimmt außerhalb dieses Bereichs ab. Der Brechungsindex des in Fig. 5 dargestellten Glases variiert auch innerhalb dieses Bereichs, jedoch ist die Änderung als Funktion des Abstandes kleiner als außerhalb des zentralen Bereichs.

Hierdurch wird - wie den Teilfiguren b der Fig. 5 bis 7 zu entnehmen ist - erreicht, daß die Abbildungsfehler Δ R und Δ S als Funktion des Blickwinkels wesentlich kleiner geworden sind.

Insbesondere ist es sogar möglich, streng einen bestimmten Verlauf der Abbildungsfehler vorzugeben. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ist vorgegeben worden, den Refraktionsfehler Δ R bis zum einem Blickwinkel von etwa 30° etwa auf dem Wert 0 zu halten.

Natürlich sind auch andere Vorgaben, wie beispielsweise ein bestimmtes Verhältnis des Refraktionsfehlers Δ R und Astigmatismus Δ S sowie eine bestimmte Vorgabe für das Vorzeichen der beiden Fehler möglich.

Die Berechnung des Brechungsindex n als Funktion des Abstandes r erfolgt dabei zweckmäßiger Weise mit sog. Spline-Funktionen.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen Einstärken-Brillengläser mit negativer Wirkung.

Dabei zeigt Fig. 8 ein "handelsübliches" Einstärken- Brillenglas mit sphärischen Flächen 1 und 2 sowie mit homogenem Brechungsindex n, dessen Randdicke dr mit 13,75 mm vergleichsweise groß ist. Die Abbildungsfehler sind jedoch, wie die Teilfigur b zeigt, vergleichsweise klein.

Fig. 9 zeigt ein Einstärken-Brillenglas mit negativer Wirkung und einer asphärischen augenseitigen Fläche sowie homogenen Brechungsindex. Hierdurch kann zwar die Randdicke beträchtlich auf 7,13 mm verringert werden, die Abbildungsfehler steigen jedoch derart als Funktion des Blickwinkels an, daß das Glas in der Praxis nicht akzeptiert werden würde.

Die Fig. 10 und 11 zeigen erfindungsgemäße Einstärken- Brillengläser mit gleicher Wirkung wie die in den Fig. 8 und 9 dargestellten Gläser, und einem Brechungsindex, der als Funktion des Abstandes von der optischen Achse variiert. Dabei sind verschiedenen Randdicken vorgegeben worden. Dabei ist es trotzdem möglich, bis zu einem Blickwinkel von etwa 40° den Refraktionsfehler auf 0 bei gleichzeitig kleinem Astigmatismuswerten zu halten.

Das in Fig. 11 dargestellte erfindungsgemäße Brillenglas hat dabei die gleiche asphärische Fläche wie das in Fig. 9 dargestellte Glas.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele zeigen, daß es mit dem erfindungsgemäßen Konzept möglich ist, Brillengläser sowohl positiver als auch negativer Wirkung zu realisieren, bei denen gegenüber Brillengläsern mit sphärischen Flächen die kritischen Dicken - Randdicke bzw. Mittendicke - wesentlich verringert sind. Gleichzeitig ist die Abbildungsqualität gegenüber Brillengläser mit asphärischen Flächen und homogenem Brechungsindex wesentlich gesteigert. Dies gilt insbesondere für Minusgläser, bei denen sich auch mit komplizierten asphärischen Flächen keine große Verringerung der Randdicke bei gleichzeitig guten Abbildungseigenschaften erreichen lassen. Besonders überraschend ist jedoch, daß es möglich ist, bestimmte Abbildungsfehler bzw. das Verhältnis zwischen bestimmten Abbildungsfehlern vorzugeben.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ist ein Refraktionsfehler von 0 über einen bestimmten Blickwinkel- Bereich vorgegeben worden. Genauso gut kann vorgegeben werden, daß der Refraktionsfehler positive Werte und der Astigmatismus negative Werte annehmen soll und das Verhältnis zwischen diesen beiden Fehlern bei bestimmten Blickwinkeln oder über einen bestimmten Blickwinkel- Bereich gemittelt einen bestimmten Wert haben soll. Durch eine derartige Vorgabe kann beispielsweise der Absolutwert der einzelnen Fehler verringert werden.

Tabelle

Bei den in den Fig. 1-7 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Vorderfläche asphärisch und bei den in den Fig. 8-11 dargestellten Ausführungsbeispielen die augenseitige Fläche.

Beispiele mit K = 0 haben ausschließlich sphärische Flächen.

Claims (14)

1. Einstärken-Brillenglas mit einem sich zur optischen Achse rotationssymmetrisch ändernden Brechungsindex, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsverlauf mindestens einer der beiden Flächen des Brillenglases ohne Rücksicht auf die Korrektur der Abbildungsfehler derart gewählt ist, daß die kritische Dicke des Brillenglases einen bestimmten Wert nicht übersteigt, und daß die Korrektur der Abbildungsfehler im wesentlichen durch die Variation des Brechungsindex erfolgt.

2. Brillenglas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex eine Funktion des Abstandes von der optischen Achse ist.

3. Brillenglas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Brechungsindex senkrecht zu mindestens einer der beiden Oberflächen ändert.

4. Brillenglas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse durch die geometrische Mitte des rohrunden Glases verläuft.

5. Brillenglas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brillenglas mit positiver Wirkung die Mittendicke (d) auf einen vorgegebenden Wert reduziert wird.

6. Brillenglas nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brillenglas mit positiver Brechkraft beide Oberflächen sphärisch ausgebildet sind.

7. Brillenglas nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brillenglas mit positiver Brechkraft mindestens eine Fläche asphärisch ausgebildet ist.

8. Brillenglas nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Fläche die Vorderfläche ist.

9. Brillenglas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brillenglas mit negativer Wirkung die Randdicke (dr) auf einen vorgegebenden Wert reduziert wird.

10. Brillenglas nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brillenglas mit negativer Brechkraft mindestens eine der Oberflächen asphärisch ausgebildet ist.

11. Brillenglas nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Fläche die Innenfläche ist.

12. Brillenglas nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex nur im Bereich zwischen der optischen Achse und mittleren Blickwinkeln variiert und außerhalb dieses Bereichs in etwa konstant ist.

13. Brillenglas nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex von der optischen Achse nach außen hin bei einem Brillenglas mit positiver Wirkung abnimmt und bei einem Brillenglas mit negativer Wirkung zunimmt.

14. Brillenglas nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärisch ausgebildete Fläche ein flaches Rotationshyperboloid ist.