DE69416680T2

DE69416680T2 - Vorrichtung zur untersuchung von optischen elementen

Info

Publication number: DE69416680T2
Application number: DE69416680T
Authority: DE
Inventors: Sheldon L. Wilmette Il 60091 Epstein; Richard G. Bartlett Il 60103 Gore
Original assignee: Wesley Jessen Inc
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2014-07-29
Also published as: EP0882970A1; DE69428381T2; EP0711409A1; EP0882970B1; CA2167675C; US6301005B1; JPH09504095A; WO1995004264A1; AU7473894A; US20010035949A1; DE69416680D1; DE69428381D1; EP0882969A1; EP0711409B1; CA2167675A1; JP3471804B2; US6614516B2; ES2127935T3; ES2165119T3

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf ein System zur Untersuchung optischer Bauteile bzw. Elemente. Die optischen Elemente, die untersucht werden sollen, können okkulare, optische Elemente, wie beispielsweise Kontaktlinsen, Brillengläser, intraokkulare Linsen und dergleichen, umfassen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine grundsätzliche Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein System zur Untersuchung von Kontaktlinsen zu schaffen. Vor der vorliegenden Erfindung wurden optische Elemente, wie beispielsweise Kontaktlinsen, oftmals manuell unter Verwendung einer Vorrichtung vom Projektions-Typ, wie beispielsweise eines optischen Komparators, untersucht. Manuelle Untersuchungssysteme, die eine Intervention durch eine Person erfordern, sind nicht für eine Hochgeschwindigkeitsproduktion praktikabel, da sie zu langsam sind, da Personen als Prüfer dazu neigen, eine voreingenommene Beurteilung vorzunehmen, und da Untersuchungsergebnisse zwischen unterschiedlichen Prüfern nicht einheitlich sind.
Ein grundsätzliches Hindernis in Bezug auf eine automatische Untersuchung ist die Unfähigkeit gewesen, Bilder mit hohem Kontrast von optischen Elementen, wie beispielsweise Kontaktlinsen, zu erzeugen, so daß Merkmale, wie beispielsweise Schnitte, Kanten, Kratzer, Risse und Abplatzungen, leicht erfaßt und gemessen werden könnten. Insbesondere ist es schwierig gewesen, Bilder mit hohem Kontrast der gesamten, optischen Elemente zu erhalten. So, wie er hier verwendet ist, umfaßt der Ausdruck "Merkmale" sowohl vorteilhafte Merkmale, wie beispielsweise bestimmte topographische Charakteristika von torischen Linsen und Linsen-Grenzen, ebenso wie nachteilige Merkmale, wie beispielsweise Kratzer, Risse und Abplatzungen.
Die grundsätzliche Schwierigkeit beim Erhalten von Bildern mit hohem Kontrast und optischen Elementen, wie beispielsweise Kontaktlinsen und Brillengläsern, ist diejenige, daß sie transparent sind. Weiterhin bringt in dem Fall von bestimmten, optischen Elementen, wie beispielsweise hydrierten Kontaktlinsen, die als "Hydrogele" bezeichnet werden, die in einer Flüssigkeit, wie beispielsweise einer Salzlösung, eingetaucht verbleiben müssen, die Herstellung von Bildern mit hohem Kontrast eine weitere Komplikation mit sich. Das bedeutet, daß die Brechungsindizes für die optischen Elemente und der flüssigen Lösung so ähnlich sein müssen, daß die Grenzen zwischen den zwei nahezu unsichtbar sind. Bilder des optischen Elements sind deshalb von niedrigem Kontrast.
Eine andere Schwierigkeit beim Prüfen von Hydrogelen ist diejenige, daß sie nicht in einer festgelegten Position während einer Prüfung gehalten werden können und sich um Strecken größer als die Größe eines kleinen Merkmals bewegen werden. Deshalb ist es wichtig, ein Bild mit hohem Kontrast eines gesamten Hydrogels so zu erhalten, daß ein Bild durch ein Abbildungssystem in einem Bruchteil einer Sekunde erfaßt werden kann.
Ein anderes Problem in Bezug auf das versucht wird, es durch die vorliegende Erfindung zu überwinden, bezieht sich auf das Problem, ein optisches Element in einer Position zur Untersuchung ohne eine Intervention durch eine Person zu halten. Tatsächlich kann es in einem automatisierten System kritisch sein, eine Positionierungsvorrichtung zu haben, die tatsächlich ein Teil des optischen Systems ist, das dazu verwendet ist, das optische Element während der automatisierten Untersuchung zu beleuchten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das neuartige Untersuchungssystem der vorliegenden Erfindung ist auf die überraschende Entdeckung gestützt, daß, ungeachtet der transparenten Art optischer Elemente, Merkmale von Bildern mit hohem Kontrast eines optischen Elements durch Fokussieren von Licht durch das optische Element erzeugt werden. Genauer gesagt weist das Untersuchungssystem der vorliegenden Erfindung die Merkmale auf, wie sie in Anspruch 1 definiert sind.
Einrichtungen zum Fokussieren von Licht werden dazu verwendet, "fokussiertes Licht" zu schaffen. "Fokussiertes Licht" bezieht sich auf Licht, bei dem die Richtung von Strahlen derart ist, daß ein Bild in deren Pfad bzw. Weg gebildet wird. Fokussiertes Licht wird von nicht fokussiertem Licht dahingehend unterschieden, daß ein gegebener Punkt auf oder in dem optischen Element, das sich unter einem Test befindet, entlang des Wegs der Strahlen des fokussierten Lichts durch im wesentlichen einen einzelnen, geometrischen Strahl geschnitten wird, so daß dabei im wesentlichen eine eins zu eins Darstellung von Strahlen, die das optische Element, das sich im Test befindet, schneiden, zu dem Bild, das durch die das Bild erfassende Einrichtung gefüllt ist, vorhanden ist.
Vorzugsweise wird fokussiertes Licht durch das optische Element, das getestet werden soll, geführt, so daß das Licht seinen Fokus im wesentlichen an der Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung erreicht. Es ist auch bevorzugt, daß das Licht im wesentlichen die Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung füllt, und vorzugsweise überfüllt das Licht im wesentlichen nicht die Eintrittspupille. Es ist auch bevorzugt, daß das Licht vollständig das optische Element, das sich im Test befindet, bevor es im wesentlichen die Eintrittspupille füllt, beleuchtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform können Einrichtungen zum Fokussieren von Licht eine Quelle kollimierten bzw. parallel gerichteten Lichts aufweisen, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und eine Struktur mit parallel gerichteten Löchern aufweist.
In einer anderen Ausführungsform können Einrichtungen zum Fokussieren von Licht eine refraktive Quelle parallel gerichteten Lichts aufweisen, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und eine kollimierende Linse aufweist. Die Einrichtung zur Übertragung fokussierten Lichts kann auch eine reflektive Quelle parallel gerichteten Lichts aufweisen, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und einen optischen Spiegel aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform können Einrichtungen zum Fokussieren von Licht eine refraktive, konvergente Lichtquelle aufweisen, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und eine konvergierende Linse aufweisen oder eine reflektive, konvergente Lichtquelle, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und einen optischen Spiegel aufweist.
Zusätzlich können die Einrichtungen zum Fokussieren von Licht eine refraktive, divergente Lichtquelle aufweisen, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und eine divergierende Linse aufweisen oder eine reflektive, divergente Lichtquelle, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und einen optischen Spiegel aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft auch neuartige Verfahren zum Untersuchen eines optischen Elements, die die Merkmale aufweisen, wie sie im Anspruch 34 definiert sind.
Eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend angegeben. Allerdings sind die Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, nur illustrativ; weitere Ausführungsformen werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die die Konfiguration eines Untersuchungssystems in einer bevorzugten Ausführungsform darstellt, die eine Struktur mit parallel gerichteten Löchern einsetzt. Weder diese Figur noch irgendeine der anderen Figuren hier ist maßstabsgerecht gezeichnet.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, das den Weg des fokussierten Lichts in der bevorzugten Ausführungsform zeigt, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 3a zeigt eine Draufsicht und Fig. 3b zeigt eine Seitenansicht der Struktur 12 mit parallel gerichteten Löchern, die in Fig. 1 verwendet ist. Diese Figuren sind nicht im Maßstab dargestellt und insbesondere sind die Zahl und die Größe der Löcher in Fig. 3a für allgemeine Darstellungszwecke gezeichnet.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht verschiedener Löcher (8) der Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern, die in Fig. 3a dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Küvette der vorliegenden Erfindung, die verschiedene, spezifische Messungen darstellt. Eine dreidimensionale perspektivische Darstellung dieser Küvette kann durch Drehung der Zeichnung um deren vertikale Achse, V, erzeugt werden.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform darstellt, bei der eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, parallel gerichtete Lichtquelle aufweist.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform darstellt, bei der eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, konvergente Lichtquelle aufweist.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform darstellt, bei der eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, divergente Lichtquelle aufweist.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform darstellt, bei der eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, parallel gerichtete Lichtquelle aufweist.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform darstellt, bei der eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, konvergente Lichtquelle aufweist.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm eines Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform darstellt, bei der eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine reflektive, divergente Lichtquelle aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In einer bevorzugten Ausführungsform des Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung weisen Einrichtungen zum Fokussieren von Licht eine Lichtquelle auf, die parallel gerichtetes Licht abgibt. In einer spezifischen, bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Beleuchtungseinrichtung und ein Material, das eine Vielzahl von parallelen Löchern besitzt, vorzugsweise eine Struktur mit parallel gerichteten Löchern, wie sie in weiterem Detail nachfolgend beschrieben ist, auf. Insbesondere liefert, unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2, eine Beleuchtungseinrichtung (10), wie beispielsweise eine fluoreszente Beleuchtungseinrichtung STOCKER & YALE Modell 13, Licht zu Einrichtungen zum Kollimieren von Licht hin - hier eine Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern. Wie die Fig. 1 zeigt, trägt ein Beabstandungsteil (14), das in weiterem Detail nachfolgend beschrieben werden wird, eine Untersuchungsaufnahme oder "Küvette" (16) oberhalb der Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern. Die Küvette (16) enthält eine Salzlösung (18) zum Beibehalten einer Hydration eines optischen Elements, hier eine Kontaktlinse (20). Zusätzlich dazu, daß die Küvette die Lösung (18) und die Kontaktlinse (20) enthält, ist sie dazu aufgebaut worden, weiterhin Licht, das durch die Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern parallel gerichtet worden ist, durch die Kontaktlinse (20) fokussiert worden ist. Dieses Licht wiederum erreicht die das Bild erfassende Einrichtung zum Erfassen eines Bilds des optischen Elements. Die das Bild erfassende Einrichtung besitzt eine Eintrittspupille (21, Fig. 2) und einen Detektor (27, Fig. 2). Vorzugsweise ist der Detektor der das Bild erfassenden Einrichtung ein großes CCD-Feld (27, Fig. 2). In einer bevorzugten Ausführungsform weist die das Bild erfassende Einrichtung eine Kamera, vorzugsweise eine Videokamera (22), auf, die optional eine SONY XC77RR Charge Coupled Device (CCD) Video-Kamera sein kann, die mit einem Kameraobjektiv (24, Fig. 1) verbunden ist, das vorzugsweise ein NIKON 60 mm ist. Das MICRO-NIKKOR Objektiv besitzt eine Eintrittspupille (21, Fig. 2). In dieser bestimmten Ausführungsform werden die optischen Merkmale in ein "helles" - im Gegensatz zu einem "dunklen"-Feld projiziert. Das Bild kann dann zu einem elektronischen Abbildungssystem (26, Fig. 1) übertragen werden.

Eintrittspupille

Die Eintrittspupille einer Linse bzw. eines Objektivs (d. h. die Linse der das Bild erfassenden Einrichtung der vorliegenden Erfindung) wird dahingehend verstanden, daß sie das Bild des Blenden-Stops ist, wenn es von der Objektseite der Linse bzw. des Objektivs aus erscheint. In dem NIKON 60 mm MICRO-NIKKOR Objektiv ist der Blenden-Stop die einstellbare Iris, die die f-Zahl kontrolliert. Demzufolge ist die Eintrittspupille des NIKON 60 mm MICRO-NIKKOR Objektivs das Bild der Iris dieses Objektivs. Lichtstrahlen, die dahingehend fehlschlagen, in die Eintrittspupille einzutreten, werden nicht die Bildebene der das Bild erfassenden Einrichtung erreichen. Deshalb ist es, um ein Bild so hell und gleichförmig, wie dies möglich ist, zu erhalten, bevorzugt, nicht die Eintrittspupille zu überfüllen oder zu unterfüllen. Wie die Fig. 2 zeigt, erreicht vorzugsweise das parallel gerichtete Licht (28), das hier in einer Form eines fokussierten Lichts gemäß der vorliegenden Erfindung vorliegt, vorzugsweise seinen Fokus im wesentlichen an der Eintrittspupille (21) der das Bild erfassenden Einrichtung (22). Dies kann auch als Fokussieren des Lichts "durch" die Eintrittspupille beschrieben werden.
Im Gegensatz zu traditionellen Abbildungssystemen, wo die Beleuchtung nicht ein fokussierter Strahl ist, kann der Blenden-Stop der das Bild erfassenden Einrichtung auch als ein Feld-Stop wirken, der scharf das Sichtfeld begrenzt, wenn die Lichtquelle nicht geeignet durch die Eintrittspupille fokussiert wird. In der vorliegenden Erfindung wird ein geeigneter Fokus durch die kombinierten Effekte der Optiken, die durch die Lichtquelle eingesetzt sind, und die optischen Eigenschaften der Küvette mit der Lösung, die in ihr enthalten ist, erreicht.
Wenn fokussiertes Licht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist es bevorzugt, allerdings nicht erforderlich, daß eine einzigartige Auflistung zwischen Punkten auf dem Bild und Strahlen von dem Objekt existiert, so daß dort im wesentlichen eine Übereinstimmung eins zu eins zwischen Punkten auf dem Bild und Strahlen von dem Objekt vorhanden ist. Diese Beziehung erhöht den Kontrast in dem Bild.

Einrichtungen zum Richten von Licht parallel

In einer spezifischen, bevorzugten Ausführungsform weist eine Einrichtung zum Kollimieren bzw. Parallelrichten von Licht eine Scheibe aus opakem Material auf, die tausende von kleinen, parallelen Löchern durch deren flachen Oberflächen hindurch besitzt. Ein bevorzugtes Material ist ein dunkles Glas, das Licht absorbierend ist. Schwarzes Glas ist höchst bevorzugt. Mit dunklem Glas werden die Innenwände der Löcher in der Farbe dunkel werden und werden so Licht absorbieren und innere Reflexionen, die divergierenden Ausgangsstrahlen verursachen werden, reduzieren. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Innenwände der Löcher schwarz und die Löcher sind vorzugsweise zwischen 10 bis 30 um im Durchmesser (unter der Annahme eines Kreises mit bester Passung, wobei das Loch eine nicht-kreisförmige Form haben kann) in einer Scheibe mit einer Dicke 1 bis 2 mm Dicke. Das Seitenverhältnis der Löcher (das Verhältnis der Länge eines Lochs zu seinem Durchmesser) ist vorzugsweise 30 : 1 oder größer.
Einrichtungen zum Parallelrichten von Licht können, in einer bevorzugten Ausführungsform, eine Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern, Fig. 3, aus schwarzem, opakem Glas, unterfähr 20 mm im Durchmesser und 2 mm dick, aufweisen. In einer bevorzugteren Ausführungsform ist geschätzt, daß 600.000 parallele Löcher mit einem Durchmesser von ungefähr 20 um, ausgerichtet senkrecht zu den Flächen der Scheibe und durch sie hindurchdringend, vorhanden sind. Das opake Glas besitzt eine optische Dichte von mindestens 65 Db/mm. Der offene Flächenbereich der Löcher wird auf 60% des Oberflächenbereichs einer Fläche geschätzt. Eine solche Struktur wird manchmal als eine "Struktur mit parallel gerichteten Löchern" bezeichnet. Eine bevorzugte Struktur mit parallel gerichteten Löchern zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird durch Collimated Holes, Inc. of Campbell California - Teile Nr. 781-0009 hergestellt. Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, besitzen die Löcher (8) einer bevorzugten Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern Innenwände (9, Fig. 4), die in der Farbe schwarz sind und aus einem opaken, Licht absorbierenden Material, z. B. schwarzes, opakes Glas, hergestellt sind.

Kamera

Eine bevorzugte Videokamera (22) zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung enthält ein CCD-Feld (27) mit 2/3 Inch aus individuellen Sensoren - jeder davon ist dazu geeignet, Lichtenergie in elektrische Energie zu wandeln. Das CCD-Feld besitzt 493 horizontale Reihen individueller Sensoren. Jede Reihe besitzt 768 individuelle Sensoren. Demzufolge enthält das gesamte Feld 378.264 individuelle Sensoren - was ungefähr 63% der Zahl der Löcher ist, die dazu verwendet sind, das Licht in dieser Ausführungsform zu kollimieren bzw. parallel zu richten. Die Kamera erzeugt 30 Rahmen oder Einzelbilder pro Sekunde. Demzufolge besitzt in dieser Ausführungsform die Einrichtung zum Parallelrichten von Licht eine größere Anzahl von Löchern als die das Bild erfassende Einrichtung individuelle Sensoren in diesem Feld besitzt. Die Kamera kann mit einem Video-Monitor verbunden werden, um das Bild des optischen Elements zu überwachen, oder kann mit einem elektronischen Abbildungssystem verbunden sein (26, Fig. 1), das automatisch elektrische Bild-Signale analysieren kann, die von der Kamera (22) empfangen sind.
Wenn eine Videokamera dazu verwendet wird, eine Kontaktlinse ohne die Verwendung einer Einrichtung zum Fokussieren von Licht gemäß dieser Erfindung abzubilden, ist es sehr schwierig oder unmöglich, Merkmale zu erfassen und zu messen, wie beispielsweise Schnitte, Kanten, Kratzer, Risse oder Abplatzungen. Unter der Verwendung von Einrichtungen zum Fokussieren von Licht, z. B. eine Struktur (12) mit parallel gerichtetem Licht, entsprechen Bereiche mit hohem Kontrast des Bilds Merkmalen in dem optischen Element. Demzufolge erscheint eine 1 : 1 Korrespondenz zwischen Flächenbereichen mit hohem Kontrast in einem Bild und Merkmalen in einer Kontaktlinse vorhanden zu sein.

Elektronisches Abbildungssystem

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist weiterhin eine ein Bild erfassende Einrichtung auf, die ein elektronisches Abbildungssystem (26, Fig. 1) zum Analysieren von Bildsignalen einsetzt, die von der Kamera (22) empfangen sind, wobei das elektronische Abbildungssystem eine Einrichtung zum Erfassen in den Bild-Signalen einer "Bild-Eigenschaft" entsprechend einem gegebenen Merkmal, das in dem optischen Element erscheint, aufweist. Zum Beispiel kann dort, wo ein elektronisches Abbildungssystem mit 8-Bit verwendet wird (wie zum Beispiel ein solches, das ein EPIX Modell 10 Imaging Board enthält), eine "Bild-Eigenschaft", wie der Ausdruck hier verwendet wird, einen Wert in dem Bereich von 0 bis 255 bilden, der jedem Grau-Niveau in einem Bild zugeordnet ist. Ohne eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht (z. B. eine Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern) würden Unterschiede im Grau-Niveau, die durch die Merkmale allgemein verursacht sind, in dem Bereich von ungefähr 10 Grau-Niveau liegen. Da Variationen in einer Beleuchtung über das Bild ungefähr von derselben Größe sein können, war eine akkurate Merkmals-Erfassung und -Messung nicht möglich. Mit der Verwendung von Einrichtungen zum Fokussieren von Licht gemäß der vorliegenden Erfindung werden Bilder mit hohem Kontrast von Merkmalen, die Unterschiede größer als 20 Grau-Niveaus besitzen, leicht erhalten. Dies hat eine akkurate Erfassung und Messung von Merkmalen ermöglicht.

Illuminator

Das Modell 13 von STOCKER & YALE eines fluoreszenten Illuminators bzw. einer Beleuchtungseinrichtung wurde als eine bevorzugte Beleuchtungseinrichtung in der vorliegenden Erfindung ausgewählt, da sie einen Ballast von 20 KHz enthält, was der Kamera (22) mit einer Einzelbildrate mit 30 Einzelbildern pro Sekunde als eine flimmerfreie Beleuchtungseinrichtung erscheint und demzufolge das Auftreten von Video- "Rausch" Balken in Bildern verhindert. Das Licht besitzt auch einen niedrigen Wärmegehalt, was eine Beschädigung in Bezug auf Kontaktlinsen, die untersucht werden sollen, verhindert. Das Licht, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, muß nicht notwendigerweise Licht innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums sein. Andere Formen von Licht können z. B. infrarotes Licht umfassen.

Küvette

Die vorliegende Erfindung schafft eine Aufnahme oder "Küvette" (16) zum Halten eines optischen Elements in einer Position während eines Untersuchens. Wie die Fig. 5 zeigt, weist eine Küvette (16) der vorliegenden Erfindung einen Bodenbereich (30), der eine konkave, innere Oberfläche (31) zum Verwenden der Schwerkraft besitzt, um ein optisches Element in der Mitte der Küvette zu halten, auf. Vorzugsweise besitzt die konkave Krümmung der inneren Oberfläche (31) einen Krümmungsradius, um die Schwerkraft auf das optische Element, das darin positioniert ist, zu maximieren, zu dem Zweck eines Anordnens des optischen Elements. (Das optische Element ist nicht in Fig. 5 dargestellt). Der Krümmungsradius der inneren Oberfläche (31) ist vorzugsweise gleich zu oder größer als der Krümmungsradius der bestimmten Oberfläche des optischen Elements, das dazu vorgesehen ist, daß es am nahesten zu der konkaven, inneren Oberfläche (31) der Küvette liegt. Grundsätzlich wird der Krümmungsradius der konkaven, inneren Oberfläche (31) der Küvette so ausgewählt, daß er so tief wie möglich ist, um die Zentrierungsfähigkeit der Küvette zu maximieren, während sie flach genug ist, um den Zentrumskontakt mit dem optischen Element, das sich unter der Begutachtung befindet, beizubehalten. Dies minimiert den Abstand, um den sich ein optisches Element (20, Fig. 1), wie beispielsweise ein Hydrogel, in 1/30 Sekunden bewegen kann, die Zeit, die typischerweise erforderlich ist, um ein Bild eines optischen Elements einzufrieren bzw. zu fixieren. Um eine zuverlässige Erfassung eines Merkmals zu erhalten, ist es höchst wünschenswert, den Abstand, den sich ein Hydrogel in der Zeit eines Einzelbilds (d. h. 1/30 Sekunden) bewegen kann, auf einen Abstand geringer als das Merkmal der kleinsten Größe zu beschränken, das erfaßt werden muß.
Wenn die Küvette der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit dem neuartigen Untersuchungssystem dieser Erfindung verwendet wird, wird der Bodenbereich (30) der Küvette aus einem transparenten Material hergestellt, wie beispielsweise einem optisch klaren Polycarbonat oder einem Polystyren-Kunststoff, und, unter solchen Umständen, besitzt der Krümmungsradius der inneren Oberfläche des Bodenbereichs einen zweiten Zweck. Diese Krümmung (31) in Kombination mit der Oberflächengeometrie der äußeren Oberfläche (32) des Bodenbereichs der Küvette schafft eine optische Brechkraft. Genauer gesagt wird die Oberflächengeometrie der äußeren Oberfläche (32) des Bodenbereichs, die vorzugsweise konvex ist, so ausgewählt, daß das Licht, das fokussiert worden ist, im wesentlichen die Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung füllt und demzufolge ihren Fokus im wesentlichen an der Eintrittspupille erreicht. Es sollte hier angemerkt werden, daß die optische Brechkraft, die durch die Küvette der vorliegenden Erfindung geliefert wird, d. h. die Brechkraft, um Licht zu fokussieren, so daß es im wesentlichen die Eintrittspupille der Bilderfassung füllt, in irgendeiner Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, und zwar ungeachtet davon, ob die Lichtquelle kollimiertes Licht, konvergentes Licht oder divergentes Licht überträgt.
Das transparente Material, das dazu verwendet wird, den Bodenbereich (30) der Küvette zu bilden, kann auch aus Glas oder einem acrylartigen Material, wie beispielsweise Polymethmethactrylat, hergestellt werden.
Unter bestimmten Umständen, wie beispielsweise die Untersuchung von hydrierten Kontaktlinsen, ist es wünschenswert, die Linse in einer flüssigen Lösung, insbesondere einer Salzlösung, eingetaucht zu belassen. Unter solchen Umständen kann die Küvette der vorliegenden Erfindung so aufgebaut werden, um eine flüssige Lösung zu halten. Wie die Fig. 5 zeigt, kann dies durch Vorsehen einer "wasserdichten" Küvette ausgeführt werden, wobei sich Seitenwände (33) des Bodenbereichs (30) der Küvette nach oben mit einer ausreichenden Höhe so erstrecken, daß Flüssigkeit innerhalb der Küvette enthalten sein wird, ohne leckagemäßig auszutreten oder herauszufließen.
Beim Aufbau des Untersuchungssystems der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, die Küvette (16) von der Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern zu separieren. Durch Separieren der Küvette (16) von der Struktur (12) ist es möglich, die Linse bzw. das Objektiv der Kamera (24) auf ein optisches Element (20) zu fokussieren, ohne die Struktur (12) in die Schärfentiefe der Linse bzw. des Objektivs der Kamera hinein zu bringen. Um einen erwünschten Abstand zwischen der Küvette (16) und der Struktur (12) zu erhalten, kann ein hohles, zylindrisches Abstandsteil (14), dargestellt in Fig. 1, zwischen diesen zwei Elementen plaziert werden. Vorzugsweise besitzt das Beabstandungsteil (14) eine Höhe von ungefähr 2" (5,13 cm), einen Innendurchmesser von ungefähr 1,25 (3,2 cm) und einen Außendurchmesser von ungefähr 2" (5,13 cm), und vorzugsweise ist das Abstandsteil aus einem dunklen, grauen Kunststoff hergestellt, um so eine innere Reflexion zu minimieren. Die Dimensionen, die vorstehend und in Fig. 5 vorgesehen sind, sind die bevorzugteren Dimensionen. Es wird angenommen, daß zufriedenstellende Ergebnisse dann erzielt werden, wenn sie bis zu ±50%, noch bevorzugter nicht mehr als ±25%, dieser bevorzugten Werte variiert werden. In Bezug auf den Radius R* in Fig. 5, der Krümmungsradius der äußeren Oberfläche (32) des Bodenbereichs, beträgt diese Dimension vorzugsweise 26,0 mm, wenn der Bodenbereich (30) Polymethylmethacrylat ist, und vorzugsweise 22,3 mm, wenn der Bodenbereich Polycarbonat ist. R**, der Krümmungsradius der inneren Oberfläche (31) des Bodenbereichs, beträgt vorzugsweise 12,5 mm.
In Bezug auf eine bevorzugte Ausrichtung dieser Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung wird die das Bild erfassende Einrichtung optisch zu der Struktur (12) mit parallel gerichteten Löchern ausgerichtet, wobei die klare Küvette (16) und das optische Element so inspiziert (20) werden, daß die optischen Achsen jeweils koaxial sind (siehe optische Achse (29) in Fig. 2).

DIE VERWENDUNG EINER REFRAKTIVEN, KOLLIMIERTEN LICHTQUELLE

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, kollimierte Lichtquelle auf, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und eine kollimierende Linse aufweist. Diese Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist, weist eine Beleuchtungseinraichtung (40), wie beispielsweise die Beleuchtungseinrichtung von STOCKER & YALE, Modell 13, auf, die Licht zu einem Pinhole bzw. Stiftloch (41) liefert. Eine kollimierende Linse (42) wird dann dazu verwendet, das Licht zu kollimieren. Das Stiftloch 41 wird dann als das Objekt für die kollimierende Linse (42) betrachtet, das das Bild des Stiftlochs bei unendlich fokussiert.
In einer spezifischen Ausführungsform, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, betrug der Durchmesser des Stiftlochs 500 Mikron und die kolliminerende Linse 42 war ein achromatisches Doppelobjektiv (PIN 23-9756 von Ealing Electro- Optics, Holliston, Massachusetts) mit einer Brennweite von 200 mm. Natürlich wird ein Fachmann auf dem betreffenden Fachgebiet erkennen, daß der Durchmesser und die Brennweite in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung, der Empfindlichkeit der das Bild erfassenden Einrichtung und dem Grad einer Kollimierung, erforderlich dazu, um ein Bild mit hohem Kontrast auf der das Bild erfassenden Einrichtung zufriedenstellend zu erhalten, variiert werden können.
Das spezifische Stiftloch, das in dieser bevorzugten Ausführungsform verwendet ist, war Modell No. 39729 von Edmund Scientific Corp., Barrington, New Jersey.
Vorzugsweise wird eine Küvette, wie sie vorstehend beschrieben ist, in Verbindung mit dieser Ausführungsform verwendet, und das parallel gerichtete Licht wird durch die Küvette fokussiert, bevor es durch das optische Element, das sich im Test befindet, hindurchführt. Wie die Fig. 6 zeigt, muß die Krümmung der Küvettenradii so ausgewählt werden, daß die Brennweite der Küvette (46) dazu geeignet ist, das Licht im wesentlichen an der Eintrittspupille (51) der das Bild erfassenden Einrichtung (52) zu fokussieren, wenn der Abstand zwischen der das Bild erfassenden Einrichtung und dem optischen Element so eingestellt wird, um die erwünschte Vergrößerung des optischen Elements zu erzielen. Vorzugsweise sind die Beleuchtungseinrichtung (40), das Stiftloch (41), die kollimierende Linse (42), die Küvette (46), die Lösung (48), die Eintrittspupille (51), die Kamera (52) und das CCD (53) optisch entlang der optischen Achse (49) ausgerichtet.

VERWENDUNG EINER REFRAKTIVEN, KONVERGENTEN LICHTQUELLE

Fig. 7 stellt eine alternative Ausführungsform dar, die kein kollimiertes Licht verwendet. In dieser Ausführungsform würde eine konvergente Linse verwendet werden. Licht von der Beleuchtungseinrichtung (60) würde so gestaltet werden, daß es durch die konvergente Linse (62) konvergiert, und zwar durch Einstellen des Abstands zwischen der konvergenten Linse und dem Stiftloch (61) so, daß der Abstand größer als die Brennweite der konvergenten Linse ist. Licht würde dann weiter durch die Oberflächen der Küvette (66) und der Lösung (68) fokussiert werden, bis es im wesentlichen an der Eintrittspupille (65) der das Bild erfassenden Einrichtung (Kamera 64) fokussiert. Die hohen Kontrasteigenschaften des Bilds würden äquivalent zu dem System sein, das kollimiertes Licht einsetzt. Vorzugswaise sind die Beleuchtungseinrichtung (60), das Stiftloch (61), die konvergente Linse (62), die Küvette (66), die Lösung (68), die Eintrittspupille (65), die Kamera (64) und das CCD (63) optisch entlang der optischen Achse (69) ausgerichtet.

VERWENDUNG EINER REFRAKTIVEN, DIVERGENTEN LICHTQUELLE

In einer anderen Ausführungsform würde Licht mittels einer Refraktion von Licht, das von einer divergenten Lichtquelle emittiert ist, die eine Beleuchtungseinrichtung (irgendeine Lichtquelle) und eine divergente Linse aufweist, fokussiert werden. Genauer gesagt würde, wie in Fig. 8 dargestellt ist, Licht von der Beleuchtungseinrichtung (70) so gestaltet werden, um durch die divergente Linse (72) hindurch durch Separieren des Stiftlochs (71) und der divergenten Linse (72) um weniger als eine Brennweite der divergenten Linse zu divergieren. Licht würde dann weiter durch die Oberfläche der Küvette (76) und die Lösung (78) fokussiert werden, bis es im wesentlichen an der Eintrittspupille (75) der das Bild erfassenden Einrichtung (Kamera 74) fokussiert. Ein Bild mit hohem Kontrast würde demzufolge ähnlich zu dem Bild mit hohem Kontrast, das zuvor beschrieben ist, erreicht werden. Vorzugsweise sind die Beleuchtungseinrichtung (70), das Stiftloch (71), die divergente Linse (72), die Küvette (76), die Lösung (78), die Eintrittspupille (75) und die Kamera (74) und das CCD (73) optisch entlang der optischen Achse (79) ausgerichtet.

VERWENDUNG EINER REFRAKTIVEN, KOLLIMIERTEN LICHTQUELLE

Unter Kenntnis, daß Licht von der Beleuchtungseinrichtung im wesentlichen an der Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung fokussiert werden muß, und daß das Bild des optischen Elements, das getestet werden soll, an der das Bild erfassenden Einrichtung fokussiert werden muß, kann dies durch eine Lichtquelle unter Verwendung von reflektiven Optiken ebenso wie refraktiven Optiken oder einer Struktur mit parallel gerichteten Löchern, wie dies zuvor beschrieben ist, vorgenommen werden. Diese Ausführungsform weist eine reflektive, kollimierte Lichtquelle, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, auf.
Demzufolge stellt Fig. 9 ein System identisch zu Fig. 6 dar, mit der Ausnahme, daß ein sich außerhalb der Achse befindlicher parabolischer Spiegel (87) als ein Kollimator verwendet wird. Der Spiegel ist zu der optischen Achse (89) ausgerichtet und es ist dort ein Stiftloch (81) vorhanden, das außerhalb der Achse an dem Brennpunkt des Spiegels plaziert ist. Das Stiftloch nimmt Licht von der Beleuchtungseinrichtung (80) auf. Vorzugsweise sind der parabolische Spiegel (87), die Küvette (86), die Lösung (88), die Eintrittspupille (85), die Kamera (84) und das CCD-Feld (83) optisch entlang der optischen Achse (89) ausgerichtet.

VERWENDUNG EINER REFLEKTIVEN, KONVERGENTEN LICHTQUELLE

Fig. 10 ist ähnlich zu Fig. 9 mit der Ausnahme, daß das Stiftloch (91) mehr als ein Brennweitenlängenabstand von dem sich außerhalb der Achse befindlichen Parabolspiegel (97) entfernt ist. Die Lichtquelle wird dann konvergent wie in Fig. 7. Das Stiftloch (91) nimmt Licht von der Beleuchtungseinrichtung (90) auf. Vorzugsweise sind der Parabolspiegel (97), die Küvette (96), die Lösung (98), die Eintrittspupille (95), die Kamera (94) und das CCD-Feld (93) optisch entlang der optischen Achse (99) ausgerichtet.

VERWENDUNG EINER REFLEKTIVEN, DIVERGENTEN LICHTQUELLE

Fig. 11 ist ähnlich zu Fig. 9 mit der Ausnahme, daß das Stiftloch (101) weniger als eine Brennweitenlänge von dem sich außerhalb der Achse befindlichen Parabolspiegle (107) entfernt ist. Die Lichtquelle ist dann divergent wie in Fig. 8. Das Stiftloch (101) nimmt Licht von der Beleuchtungseinrichtung (100) auf. Vorzugsweise sind der parabolische Spiegel (107), die Küvette (106), die Lösung (108), die Eintrittspupille (105), die Kamera (104) und das CCD-Feld (103) optisch entlang der optischen Achse (109) ausgerichtet.

Claims

1. System zum Produzieren eines Bilds mit hohem Kontrast von Merkmalen eines optischen Elements, das aufweist:

a) eine ein Bild erfassende Einrichtung (22), die einen Detektor (27) besitzt, zum Erfassen des Bilds des optischen Elements; und

b) eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht (12) durch das optische Element (20), bevor es den Detektor der das Bild erfassenden Einrichtung erreicht,

dadurch gekennzeichnet, daß die das Licht fokussierende Einrichtung so betreibbar ist, um Licht durch das gesamte, optische Element simultan zu fokussieren, um dadurch ein Bild mit hohem Kontrast der Merkmale des gesamten, optischen Elements zu produzieren.

2. System nach Anspruch 1, wobei die das Bild erfassende Einrichtung eine Eintrittspupille (21) besitzt und das Licht seinen Fokus im wesentlichen an der Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung erreicht.

3. System nach Anspruch 2, wobei das Licht im wesentlichen die Eintrittspupille füllt.

4. System nach Anspruch 3, wobei das Licht nicht im wesentlichen die Eintrittspupille überfüllt.

5. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren entweder reflektiv oder refraktiv ist.

6. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive Quelle mit parallel gerichtetem Licht aufweist, die eine kollimierende Linse (42) aufweist.

7. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, konvergente Lichtquelle aufweist, die eine konvergierende Linse (62) aufweist.

8. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive, divergente Lichtquelle aufweist, die eine divergierende Linse (72) aufweist.

9. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine refraktive Quelle mit parallel gerichtetem Licht aufweist, die einen optischen Spiegel (87) aufweist.

10. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine reflektive, konvergente Lichtquelle aufweist, die einen optischen Spiegel (97) aufweist.

11. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine reflektive, divergente Lichtquelle aufweist, die einen optischen Spiegel aufweist.

12. System nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Fokussieren von Licht eine Lichtquelle aufweist, die parallel gerichtetes Licht transmittiert.

13. System nach Anspruch 12, wobei die Transmission des parallel gerichteten Lichts unter Verwendung eines Materials erreicht wird, das eine Vielzahl von parallelen Löchern (8) besitzt.

14. System nach Anspruch 13, wobei die parallelen Löcher (8) durch innere Wände (9) gebildet sind, die in der Farbe dunkel sind.

15. System nach Anspruch 13, wobei die parallelen Löcher (8) durch innere Wände (9) gebildet sind, die aus einem opaken Material hergestellt sind.

16. System nach Anspruch 13, wobei die parallelen Löcher (8) durch innere Wände (9) gebildet sind, die aus einem Licht absorbierenden Material hergestellt sind.

17. System nach Anspruch 16, wobei die inneren Wände (9) aus schwarzem, opakem Glas hergestellt sind.

18. System nach Anspruch 13, wobei die parallelen Löcher (8) ein Seitenverhältnis von 30 : 1 oder größer haben.

19. System nach Anspruch 13, wobei die parallelen Löcher (8) einen Durchmesser in dem Bereich von 10 bis 30 um haben.

20. System nach Anspruch 13, wobei die parallelen Löcher (8) zylindrisch in der Form sind, die eine Höhe in dem Bereich von 1 bis 2 mm und einen Durchmesser in dem Bereich von 10 bis 30 um haben.

21. System nach Anspruch 1, wobei die das Bild erfassende Einrichtung (22) optisch zu der Einrichtung zum Fokussieren des Lichts (12) und dem optischen Element so ausgerichtet ist, daß die optischen Achsen (49) von jedem im wesentlichen koaxial sind.

22. System nach Anspruch 1, wobei die das Bild erfassende Einrichtung (22) eine Videokamera (22) zum Erzeugen eines Bildsignals aufweist.

23. System nach Anspruch 22, wobei die Videokamera (22) einen Bildsensor (27) aufweist, der ein Feld individueller Sensoren enthält, wobei jeder individuelle Sensor zum Wandeln von Lichtenergie in elektrische Energie geeignet ist.

24. System nach Anspruch 23, wobei die Einrichtung zum Kollimieren von Licht (12) ein Material aufweist, das parallele Löcher (8) besitzt, die durch innere Wände (9) gebildet sind, und wobei die Zahl paralleler Löcher größer als die Zahl individueller Sensoren in der das Bild erfassenden Einrichtung ist.

25. System nach Anspruch 22, das weiterhin ein elektronisches Abbildungssystem (26) zum Analysieren von Bildsignalen aufweist, die von der Videokamera (22) empfangen sind, wobei das elektronische Abbildungssystem eine Einrichtung zum Erfassen einer Bildeigenschaft in dem Signal von der Videokamera entsprechend einem Merkmal, das in dem optischen Element erscheint, aufweist.

26. System nach Anspruch 1, das weiterhin eine Küvette (16) zum Aufnehmen eines optischen Elements (20) aufweist, wobei die Küvette (16) einen Bodenbereich besitzt, der aus einem transparenten Material hergestellt ist.

27. System nach Anspruch 26, wobei der Bodenbereich der Küvette (16) aus Kunststoff hergestellt ist.

28. System nach Anspruch 26, wobei der Bodenbereich der Küvette (16) eine konkave, innere Oberfläche (31) besitzt.

29. System nach Anspruch 28 zur Verwendung in Verbindung mit einem optischen Element vorgebener Dimensionen, wobei die konkave, innere Oberfläche (31) des Bodenbereichs der Küvette (16) einen Krümmungsradius besitzt, der mindestens gleich zu dem Krümmungsradius der bestimmten Oberfläche des optischen Elements ist, das dazu vorgesehen ist, am nahesten zu der konkaven, inneren Oberfläche des Bodenbereichs der Küvette zu liegen.

30. System nach Anspruch 28, wobei der Bodenbereich der Küvette weiterhin eine konvexe, äußere Oberfläche (32), angrenzend an die konkave, innere Oberfläche (31) des Bodenbreichs, aufweist, wobei die äußere Oberflächengeometrie der äußeren Oberfläche so ausgewählt ist, daß das Bild des Lichts, das fokussiert worden ist, im wesentlichen die Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung füllt.

31. System nach Anspruch 30, wobei das optische Element (20) in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, die in der Küvette enthalten ist.

32. System nach einem der Ansprüche 1-4, 12, 21-23 oder 26-31, wobei das optische Element (20), das untersucht werden soll, eine Kontaktlinse ist.

33. System nach einem der Ansprüche 13-20, oder 24-25, wobei das optische Element (20), das untersucht werden soll, eine Kontaktlinse ist.

34. Verfahren zum Untersuchen eines optischen Elements, das aufweist Produzieren eines Bild mit hohem Kontrast von Merkmalen des optischen Elements auf einer ein Bild erfassenden Einrichtung durch Transmittieren fokussierten Lichts durch das optische Element (20) und zu einer das Bild erfassenden Einrichtung (22) hin, die einen Detektor (27) besitzt, so daß das Licht seinen Fokus vor Erreichen des Detektors der das Bild erfassenden Einrichtung erreicht, gekennzeichnet durch Transmittieren von fokussiertem Licht durch das gesamte, optische Element simultan, um dadurch ein Bild mit hohem Kontrast des gesamten, optischen Elements zu produzieren.

35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die das Bild erfassende Einrichtung (22) eine Eintrittspupille (21) besitzt und das Licht seinen Fokus im wesentlichen an der Eintrittspupille der das Bild erfassenden Einrichtung erreicht.

36. System nach einem der Ansprüche 1-4, 12, 21-23 oder 25-32, wobei die das Bild erfassende Einrichtung eine Kamera (22) aufweist.