DE4011992A1

DE4011992A1 - Einrichtung zum messen von refraktionseigenschaften optischer systeme mit aussergewoehnlichen eigenschaften

Info

Publication number: DE4011992A1
Application number: DE19904011992
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Wilms; Adolf Triller
Original assignee: G Rodenstock Instrumente GmbH
Current assignee: G Rodenstock Instrumente GmbH
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1991-10-17
Also published as: WO1991011697A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen von Refraktionseigenschaften optischer Systeme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Einrichtungen werden beispielsweise zum Messen des Brechwerts, der Zylinderwirkung sowie der Zylinderach se von Brillengläsern verwendet und sind auch unter dem Namen "Scheitelbrechwertmesser" bekannt.

Ein bekannter automatischer Scheitelbrechwertmesser von dem bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentan spruchs 1 ausgegangen wird, ist beispielsweise aus der DE-C 25 08 611 bekannt.

Ein weiterer automatischer Scheitelbrechwertmesser ge ringfügig abweichender Gattung ist der "Auto-Lensmeter Topcon CL-1000".

Bei diesem bekannten automatischen Scheitelbrechwertmesser wird das Licht einer realen Lichtquelle über ein Kollima torlinsensystem in ein "aus dem unendlichen kommendes" paralleles Lichtbündel überführt, das auf das Brillenglas auftrifft, dessen sphärischer Brechwert sowie gegebenen falls Zylinderwirkung und Zylinderachse bestimmt werden sollen.

In der Ebene des zu vermessenden Brillenglases oder der Kontaktlinse bzw. in einer hierzu konjugierten Ebene ist eine Punkt-, Strich-bzw. Gittermaske angeordnet. "Nach" der Maske sind zwei zueinander senkrecht stehende Sensor zeilen angeordnet, die in zwei Richtungen die Lichtverteilung messen, die sich dadurch ergibt, daß das quasi pa rallele Licht des Kollimators über das zu vermessende Brillenglas und die Strich- bzw. Gittermaske auf die beiden Sensorzeilen projiziert wird.

Durch die Refraktionseigenschaften des zu vermessenden Brillenglases wird der Abstand der einzelnen Gitterlinien beeinflußt, so daß durch Messung der Lichtverteilung auf den einzelnen Sensorzeilen die optischen Daten des Bril lenglases, wie sphärischer Brechwert sowie gegebenenfalls Zylinderwirkung und Zylinderachse ermittelt werden können.

Die bekannten Einrichtungen zur Messung der Refraktions eigenschaften sind im wesentlichen dazu gedacht, den sphä rischen Brechwert von Ein- oder Zweistärken-Brillengläsern zu bestimmen. Dabei kann mit der aus der DE-OS 36 29 676 bekannten Einrichtung zur Messung der Refraktionseigen schaften von Brillengläsern zusätzlich auch der sogenannte Nahscheitel-Brechwert bestimmt werden.

Mit den bekannten Einrichtungen zur Messung der Refrak tionseigenschaften ist es jedoch sehr kompliziert, bei spielsweise sogenannte progressive Brillengläser, also Brillengläser, bei denen sich der Brechwert kontinuierlich vom sogenannten Fernwert zum sogenannten Nahwert ändert, zu vermessen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß es in der täglichen Praxis häufig vorkommt, daß unbekannte Brillen gläser vermessen werden müssen, also Brillengläser, bei denen die Lage der Fern- und Nahbezugspunkte sowie die Länge und Lage des sogenannten Progressionskanals nicht bekannt sind.

Darüber hinaus eignen sich die bekannten Einrichtungen zur Messung der Refraktionseigenschaften nicht zur Vermessung kleiner optischer Systeme mit hohen Flächenbrechwerten, wie beispielsweise Kontaktlinsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Einrichtungen zum Messen der Refraktionseigenschaften optischer Systeme derart weiterzubilden, daß auch kompliziertere unter Um ständen asphärische optische Systeme, wie beispielsweise progressive Brillengläser oder Kontaktlinsen gemessen werden können.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für pro gressive Brillengläser im Anspruch 1 und für Kontaktlinsen im Anspruch 4 gekennzeichnet.

Die Erfindung geht dabei von der Grundüberlegung aus, daß es bei einem unbekannten Progressivglas zwar relativ ein fach möglich ist, den sogenannten Fern-Durchblickpunkt zu bestimmen. Hierzu markiert der Augenarzt oder der Augenop tiker die Pupillenlage auf dem linken bzw. rechten Glas. Eine Messung des Scheitelbrechwertes in diesem Bereich ergibt den effektiven - wenn vielleicht auch nicht den vom Hersteller angegebenen - Brechwert.

Durch eine gerade Verschiebung des Brillenglases längs der Hauptblicklinie könnte man dann die Addition und damit den Nah-Brechwert messen.

In der Praxis ist es für den Augenoptiker oder Augenarzt jedoch sehr schwierig, das Brillenglas auf der Glasauflage gerade so zu verschieben. In der Regel wird er versehent lich vom Progressionskanal nach links oder rechts ab weichen; an diesen Stellen ergeben sich jedoch aufgrund der Eigenschaften von progressiven Brillengläsern fehler hafte Meßergebnisse.

Darüber hinaus kann er kaum den maximalen Brechwertgradien ten bestimmen, da er in der Regel keine Zuordnung zwischen den Meßwerten und der "Verschiebestrecke" hat.

Erfindungsgemäß bestimmt deshalb die Auswerteeinheit die Verschiebung des Glases aus den Änderungen der Prismenkom ponenten und den an einem bestimmten Ort gemessenen Brech werten.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung ist es insbeson dere gemäß Anspruch 2 möglich, auf einer Anzeigeeinheit, beispielsweise einem Monitor anzuzeigen, ob bei der Ver schiebung des Brillenglases längs des Progressionskanals auch eine laterale Verschiebung, d. h. eine Richtung senk recht zur Progression auftritt.

Darüber hinaus kann gemäß Anspruch 3 eine kombinierte Schalteinrichtung vorhanden sein, die in bekannter Weise zunächst zwei Taster in der Anlageleiste des Gerätes ent hält, welche beim Anlegen der Brille bzw. des Brillenran des betätigt werden, so daß die Auswerteeinheit erkennt, ob ein "rechtes oder linkes" Glas gemessen werden soll oder wird.

Bei Scheitelbrechwertmessern der bekannten Ausführung ist dabei eine ganz bestimmte Art der Brillenanlage - meist Anlegen mit unterem Fassungsrand - bindend vorgeschrieben, damit die Zuordnung zur "rechten oder linken" Seite sowie der oberen und unteren Seite der Brille gegeben ist und somit die Achsen bzw. Basislagen bzw. Richtungen von pris matischen Wirkungen - aber auch die Progressionsrichtung von Gleitsichtgläsern angezeigt werden. Ein Wechsel ist nicht vorgesehen. Kurioserweise ist es nicht möglich, dann die vom Techn. Ausschuß für Brillenoptik (TABO) festgeleg te Gradbogeneinteilung - die eine Anlage der Brille mit dem oberen Fassungsrand nahelegt - zu benutzen.

Dem hilft erfindungsgemäß die kombinierte Schalteinrich tung ab, in dem sie die Umschaltung durch einen zusätzli chen Umschalter an der Frontseite des Gerätes auf die gewünschte Brillenanlageform wahlweise ermöglicht. Die gewählte Art der Anlage wird durch z. B. ein Symbol, be stehend aus Anlageleiste und stilisierter Brillenfassung, auf dem Bildschirm dargestellt.

Dementsprechend ist die Auswerteeinheit in der Lage, die Wegstrecke durch den sog. Progressionskanal eines Gleit sichtbrillenglases und die sog. Innendezentration (nach nasal) richtig vorzugeben.

Da die Hauptblicklinie durch die Konvergenz der Augen im Nahbereich nasal versetzt ist, kann damit die Auswerte einheit der Bedienungsperson ein Signal geben, daß sie nunmehr das Brillenglas um typischer Weise 2 bis 3 mm nasal zu verschieben hat.

Darüber hinaus ist es durch die im Anspruch 4 angegebenen Merkmale, Scheitelbrechwerte von optischen Systemen mit außergewöhnlichen optischen Eigenschaften zu ermitteln auch Kontaktlinsen und IOL (Intra Okular Linsen) zu ver messen. Da Kontaktlinsen häufig asphärische und insbeson dere elliptische Anpaßflächen haben, berücksichtigt er findungsgemäß die Auswerteeinheit bei der Berechnung der Refraktionseigenschaften eventuelle Asphärizitäten.

Definitionsgemäß ist mit dem Scheitelbrechwert der par axiale Scheitelbrechwert für eine bestimmte Wellenlänge gemeint. Dies gilt für Brillengläser und Kontaktlinsen gleichermaßen. Da die monochromatische (sph.) Aberration bei Brillengläsern sehr klein ist, wird in der Normung darauf nicht weiter Bezug genommen. Bei Kontaktlinsen jedoch ist die monochromatische Aberration in Folge der starken Durchbiegung zur Anpassung an die Cornea wesent lich größer. Aus diesem Grunde wird in der DIN 58 233, T2 ein Unterschied zwischen dem paraxialen Scheitelbrechwert S′ - der in der Praxis nicht interessiert - und dem "Ge brauchs"-Scheitelbrechwert S′_K gemacht, der sich bei der Messung mit herkömmlichen Scheitelbrechwertmessern (Ein blick- und Projektions-SBM) ergibt.

Je nach Ausleuchtung des Meßfeldes, das bei der KL-Messung absichtlich kleiner gehalten wird (3,5-4,5 mm), gehen etwa 30-35% der monochromatischen Längsaberration in das Meßergebnis ein, was man bis heute allgemein akzep tiert. Bei der Herstellung der KL wird dies berücksichtigt aber nicht weiter diskutiert.

Bei automatischen Scheitelbrechwertmessern hat man kein voll ausgeleuchtetes Meßfeld, sondern eine gewisse Anzahl von "Scheiner-Öffnungen", die stets außeraxial angeordnet sind. So wird das aberrationsfreie Zentrum des Meßgutes überhaupt nicht detektiert, sondern nur neben diesem ge legene Partien der stark durchgebogenen Linsen. Hieraus erklärt es sich, daß man starke Abweichungen der Scheitel brechwerte vom akzeptierten Gebrauchs-Scheitelbrechwert erhält, sofern man die erhöhte monochromatische Aberration im Bereich der Detektions-Stellen nicht berücksichtigt.

Die Größenordnung der erhöhten Aberrationen läßt sich z. B. für Kontaktlinsen mit Scheitelbrechwerten zwischen plus und minus 15 dpt durch

ΔS = a _* S_M _* H² + k (dpt)

beschreiben, wobei
a = 0,01 und
H = der halbe Abstand der Öffnung der Meßmarke
S_M = der unkorrigierte Meßwert

ist. Für Linsen mit höheren Brechwerten gilt mit guter Näherung

ΔS = a² _* S_M² _* H² (dpt)

Erst wenn man die relative monochromatische Aberration der KL (Vergleich mit dem herkömmlichen Scheitel) bestimmt hat und diese vor Ausgabe der Dioptrienwerte richtig kompen siert hat, erhält man eine vernünftige Meßmöglichkeit für Kontaktlinsen.

Die verschiedenen Arten von Kontaktlinsen machen am her kömmlichen Scheitel keine Schwierigkeiten, weshalb man dort eine Unterscheidung auch gar nicht zu treffen braucht.

Ganz anders ist dies bei einem Autoscheitel. Unebenheiten der Oberflächen (insbesondere bei Soft-"Linsen") aber auch bei Dezentration auftretende Unsymmetrien in der Abbil dung, beeinflussen das Meßergebnis sehr stark. Sie können regelrechte Fehlanzeigen liefern.

Je nach Art der KL muß man also die Lage der Schwelle bei der Abtastung der Signale verlegen (anheben), um dem Sig nal-Bodensatz (Rauschen) zu entgehen.

Bei weichen, hydrophilen Linsen verzichtet man bei der routinemäßigen Messung sogar auf die Angabe des Zylinder- Meßwertes und gibt nur den Äquivalent-Brechwert aus.

Je nach Art der zu vermessenden Linsen sind also unter schiedliche Meß- und Ausgleichsbereiche in der Auswerte einheit anzusprechen.

Dabei muß spezifisch

a) die Lage der Detektionsschwelle
b) der Pfeilhöhenfehler
c) die rel. monochr. Aberration
d) die Ausgabe der Werte je nach Linsenart

berücksichtigt werden.

Dies erreicht man erfindungsgemäß dadurch, daß man die Glasauflage für Brillengläser gegen eine solche für die speziellen Systeme austauscht. Ein damit auf Sensoren in der Aufnahme der Glasauflage ausgelöstes Signal spricht den besonderen Bereich der Auswerteeinheit an, wodurch Wahltasten an der Frontseite des Gerätes aktiviert werden und die Umschaltung auf ganz spezifische Korrektionsberei che der Auswerteeinheit ermöglichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Bild 1a den Verlauf eines Parallelstrahlenganges hinter einer Sammellinse,

Bild 1b die Komponenten der prismatischen Wirkung eines sphärischen Glases,

Bild 2 die Zusammenhänge bei einer torischen Wirkung, und

Bild 3 die Berechnung bei einem Progressivglas.

Bild 1a zeigt den Verlauf eines Parallelstrahles hinter einer Sammellinse mit dem Scheitelbrechwert S′. Die Ab lenkung des Strahles aus seiner ursprünglichen Richtung wird als prismatische Wirkung P bezeichnet und die Formel P = c × S′ ist in ähnlicher Form als "Prentice′sche Regel" jedem Augenoptiker wohlbekannt. Ihre Umkehrung c = P/S′ bildet die Grundlage für die hier beschriebene Bestimmung lateraler Verschiebungen von Gleitsichtgläsern.

In Bild 1b sind die Komponenten der prismatischen Wirkung eines sphärischen Glases in einem x, y-Koordinatensystem dargestellt, dessen Ursprung in der optischen Mitte des Glases liegt. Liegt die Meßstelle z. B. im Punkt B, so ergeben sich die Wegkomponenten xb, yb der Dezentrierung auf einfache Weise aus den gemessenen Prismenkomponenten Px, Py und dem Scheitelbrechwert S′ des Glases. Ist aus dem Glas ein Prisma überlagert, so kann die optische Mitte natürlich auch außerhalb des Glasrandes liegen. Was hier interessiert, ist nun weniger die Lage der optischen Mitte sondern die Tatsache, daß die Zusammenhänge zwischen Pris ma P, Scheitelbrechwert S′ und Strahlendurchstoßpunkt B linear sind.

xb = -Px/S′; yb = -Py/S′ (1)

Bei sphärischen Brillengläsern gilt dann auch:

δ(xb) = -δ(Px)/S′; δ(yb) = -δ(Py)/S′ (2)

Die relativen Wegkoordinaten einer Verschiebung der Meß stelle B lassen sich also aus den Änderungen der Prismen komponenten und dem Scheitelbrechwert berechnen.

Die Formeln 1 und 2 gelten grundsätzlich auch bei den üblichen torischen Gläsern, nur wird die Mathematik hier deutlich komplizierter.

Ein torisches Glas ist gekennzeichnet durch die Abhängig keit des Scheitelbrechwertes von der azimutalen Richtung, die Differenz zwischen den Extremwerten S′u und S′v wird bekanntlich "Zylinder" genannt.

In Bild 2 sind diese Extremwerte durch die Achsen u und v symbolisiert, die man sich als die Achsen gekreuzter Zy linder mit den entsprechenden Brechwerten vorstellen kann.

Aus den Meßwerten des Prismas Px, Py den "Hauptschnittwer ten" S′u, S′v und der azimutalen Orientierung "Achse" α sollen zunächst die Koordinaten xb, yb des dezentrierten Punktes B berechnet werden.

Px = Pxu + Pxv; Py = Pyu + Pyv (3)

Px = Pu x cos α - Pv x sin α; (4)

Py = Pu x sind α + Pv x cos α; (5)

Pu = ub x S′v; Pv = vb x S′u (6)

Mit Hilfe der Transformationen

u = x _* cos α + y _* sin α (7)

und

v = y _* cos α - x _* sin α (8)

erhält man schließlich:

Px = S′v _* cos α (xb _* cos α + yb _* sin α) - S′u _* sin α (yb _* cos α - xb _* sin α); (9)

Py = S′v _* sin α (xb _* cos α + yb _* sin α) + S′u _* cos α (yb _* cos α - xb _* sin α); (10)

Px = xb(S′v _* cos² α + S′u _* sin² α) + yb (S′v _* sin α _* cos α - S′u _* sin α _* cos α) (11)

Py = xb(S′v _* sin α _* cos α - S′u _* sin α _* cos α) + yb(S′v _* sin² α + S′u _* cos² α) (12)

Mit den Abkürzungen

C1 = S′u _* sin² α + S′v _* cos² α (13)

C2 = S′u _* cos² α + S′v _* sin² α (14)

C3 = (S′u - S′v) sin α _* cos α (15)

(′Zylinder′ C = S′u - S′v)

erhält man schließlich die Koordinaten xb, yb des dezentrierten Punktes B als Funktion von Prisma und Scheitelbrechwert:

xb = (Py _* C3 + Px _* C2)/(S′u _* S′v) (16)

yb = (Px _* C3 + Py _* C1)/(S′u _* S′v) (17)

Der Weg s zwischen den Durchstoßpunkten B1 und B2 (Bild 3a) ist so aus den Differenzen xb2-xb1, yb2-yb1 leicht zu errechnen, eine Verdrehung des Glases darf allerdings nicht stattfinden.

Die vorstehenden Ableitungen gelten für sphärische bzw. torische Gläser. Bei progressiven Brillengläsern, bei denen sich der Flächenbrechwert und der Flächenastigmatis mus auf der progressiven Fläche zumindest in der Progres sionszone deutlich ändert, sind die Werte S′u, S′v und die Achse α eine Funktion des Durchstoßpunktes B (xb, yb).

Die Formeln 16 und 17 gelten nur im Punkt B. Da ein opti scher Mittelpunkt nicht mehr definierbar ist, muß auf eine differentielle Betrachtungsweise übergegangen werden.

Bei der praktischen Anwendung der theoretischen Ergebnisse braucht man nicht von differentiellen Größen auszugehen. In der unmittelbaren Umgebung von B gelten die Formeln 16 . . . 19 mit den Scheitelbrechwerten S′u, S′v und der Achse α. Bei kleinen Änderungen δ(Px), δ(Py) der Dezentrierung (Bild 3b, 3c) dürfen die Brechwerte zunächst als Konstante betrachtet werden, man kann also die zugehörigen Wegän derungen δ(xb) und δ(yb) nach 18 und 19 berechnen. Da ja die aktuellen Werte Px, Py, S′ und α in automatischen Scheitelbrechwertmessern laufend zur Verfügung stehen, könnte man den Weg von B nach B′ zusätzlich mit den Daten von B′ berechnen und so durch eine Mittelung beider Resul tate die Meßgenauigkeit deutlich verbessern.

Der zulässige Maximalabstand δ(s) der Punkte B richtet sich nach der verlangten Genauigkeit der Wegmessung. Für zulässige Abweichungen in der Größenordnung von 1 mm, kann δ(s)max mit ca. 4 mm angesetzt werden.

Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Koordinaten der Wegbestimmung sich auf das feste Koordinatensystem des Gerätes, nicht auf das des Glases beziehen.

Wenn in den Formeln 16 bis 19 der Nenner Null wird, da die beiden Hauptschnittwerte gleich Null sind, ist eine Fall unterscheidung zu machen, auf die an dieser Stelle jedoch nicht eingegangen werden soll.

Zusätzlich kann zu dieser Wegmessung aufgrund der an jedem Punkt gemessenen Prismenkomponenten und den an jedem Punkt gemessenen Brechwerten auch der Nahbezugspunkt über ein übliches sogenanntes Tabo-Gradbogenschema bestimmt werden.

Diese Bestimmung kann zur Kontrolle der Bestimmung des Nahbezugspunktes aufgrund der gemessenen Brechwerte die nen.

Mit der beschriebenen Einrichtung ist es möglich, die Wegmessung auch mit dem inversen Tabo-Gradbogenschema auszuführen.

Claims

1. Einrichtung zum Messen der Refraktionseigenschaften optischer Systeme und insbesondere von Brillengläsern, bei der eine Projektionsoptik Lichtbündel über das zu ver messende optische System und eine Feldblende, die in un mittelbarer Nähe des optischen Systems oder in einer zu dem optischen System konjugierten Ebene angeordnet ist und als Meßfigur wenigstens zwei Löcher aufweist, auf eine Detektoranordnung projiziert, aus deren Ausgangssignal eine Auswerteeinheit die Refraktionseigenschaften des zu vermessenden optischen Systems bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Refraktions eigenschaften von sog. progressiven Brillengläsern, die über die Meßstelle verschoben werden, die Auswerteeinheit die Verschiebung des Glases aus den Änderungen der Pris menkomponenten und den Brechwerten bestimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit auf einer Anzeigeeinheit eine laterale Verschiebung und die Richtung der Verschiebung anzeigt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte Schaltein richtung mit Umschalter vorgesehen ist, die eine Brillen fassung mit Gläserring (Fassungsrand) des gerade nicht gemessenen Glases betätigt, so daß die Auswerteeinheit erkennt, ob ein "linkes oder rechtes" Glas gemessen wird und zwar in Abhängigkeit von der gewählten Art der Bril lenanlage - nach Tabo-Gradbogen oder invers (180° gedreht) dazu -, und die gewählte Art der Anlage auf der Anzeige einrichtung anzeigt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signaleinrichtung inte griert ist, die durch Wechsel der Glasauflage und zusätz licher Wahltasten der Auswerteeinrichtung mitteilt, daß bestimmte aus der Geometrie der Meßmaske (Meßfleck) bei der Messung hoher Flächenbrechwerte von kleinen optischen Systemen, wie beispielsweise Kontaktlinsen oder Intraoku larlinsen, auftretende Aberrationen und Unsymmetrien auf spezifische Weise ausgeglichen werden sollen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfleck zur Messung klei ner optischer Systeme wie beispielsweise Intraokularlinsen verkleinerbar ist und das Auswerteeinheit bei der Berech nung der Refraktionseigenschaften evtl. Asphärizitäten berücksichtigt.