DE69810480T2

DE69810480T2 - Bildqualitätserfassungsvorrichtung für progressive brillengläser

Info

Publication number: DE69810480T2
Application number: DE69810480T
Authority: DE
Inventors: Russell Chipman; J. Drewes; B. Hadaway
Original assignee: Johnson and Johnson Vision Care Inc
Current assignee: EssilorLuxottica SA
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: CA2298002A1; DE69810480D1; AU8590998A; US6072570A; TW446814B; IL133993A0; AU732642B2; EP0998665B1; JP2004500537A; CN1268221A; BR9812105A; WO1999005500A1; ES2189214T3; EP0998665A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Testinstrumente und insbesondere auf ein automatisiertes optisches Testinstrument, das zur Messung der Abbildungsqualität über die Oberfläche eines Gleitsichtbrillenglases geeignet ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die optische Ausgestaltung eines Gleitsichtbrillenglases (PAL) umfaßt das stetige Wechseln der Stärke (inverse Brennweite) zwischen verschiedenen Bereichen der Linse, was der Linse eine Abbildungsqualität verleiht, die sich über die Linsenoberfläche verändert. Diese Veränderung führt eine große Menge an Astigmatismus zusammen mit bedeutenden Mengen anderer Abweichungen ein. Daher weist eine PAL, obwohl sie herstellt wird, um die optische Ausgestaltung perfekt zu reproduzieren, signifikante Abweichungen in der Abbildungsqualität über die Linse auf. Darüberhinaus weisen Brillengläser im allgemeinen Defekte auf, die mit ihrer Herstellung verbunden sind, wie Abweichungen von Ausgestaltungswölbungen, Brechnungsindexvariationen, Bläschen, Einschlüsse und Kratzer, die ebenfalls die Abbildungsqualität verändern können. Solange diese Herstellungsfehler schwer zu modellieren sind, ist es notwendig, im Stande zu sein, diese zu messen. Mit der schnell anwachsenden Popularität von PALs existiert die Notwendigkeit für eine optische Testvorrichtung, die die Variation der Abbildungsqualität von verschiedenen Ausgestaltungen mißt, um einen objektiven Vergleich zu ermöglichen.
Gegenwärtig können Messungen der Stärke, des Astigmatismus und des Prisma manuell an besonderen Stellen auf einer Linse durchgeführt werden (im Allgemeinen mit einem Subaperturdurchmesser von ungefähr 3 mm) durch Verwendung kommerziell erhältlicher Scheitelbrechwertmesser, die auch als Fokusmeter bekannt sind. Die Messung einer Auflösung wird typischerweise durch Verwendung eines Prüfanlagenaufbaus durch die Prüfung einer Abbildung, die durch eine PAL eines Luftwaffenschienenzielobjekts im Unendlichen, unter Verwendung eines Mikroskops, gebildet wird, durchgeführt. Während diese Instrumente und Verfahren einige Basisinformationen über die PAL bereitstellen, gelingt es ihnen nicht, präzise, vergleichbare Abbildungsqualitätsinformationen bereitzustellen, die sehr hilfreich für die PAL- Gestalter und/oder -Hersteller wären. Darüberhinaus erlauben die bekannten Instrumente und Verfahren nicht die vollautomatische Erfassung der Stärke, des Astigmatismus, des Prisma und der Modulationsübertragungsfunktion (MTF) über die gesamte Oberfläche einer PAL.
Konsequenterweise existiert die Notwendig für ein verbessertes optisches Testinstrument und noch genauer ein optisches Testinstrument, das eine vollautomatische Erfassung der Stärke, des Astigmatismus, des Prisma und der MTF über die gesamte Oberfläche einer PAL ermöglicht.

ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt gemäß dem einzigen unabhängigen Anspruch ein verbessertes Instrument und ein verbessertes Verfahren zur Messung der Abbildungsqualität von Brillenglaslinsen, enthaltend PALs, das ausgestaltet ist, um die Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu überwinden. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform wird eine vollautomatische Brillenglasabbildungsqualitätserfassungsvorrichtung zur Messung der Stärke, des Astigmatismus, des Prisma und der MTF an verschiedenen Stellen über die Oberfläche einer Augenglas- oder Brillenglaslinse bereitgestellt. Das Instrument enthält ein Beleuchtungssystem zum Überbringen eines kollimierten Lichtstrahls von geeigneter Größe an eine Testlinse, ein Positionierungssystem zur Rotation der Testlinse, so daß verschiedene Bereiche auf der Linse beleuchtet werden, ein Zoomobjektiv zur Fokussierung des Strahls bei einer konstanten effektiven Systembrennweite, wenn er einmal durch eine besondere Subapertur der Testlinse hindurchtritt, ein Erfassungssystem zur Aufzeichnung und Messung der Abbildungsqualität der Linse und einen Ausrichtungsausleger zum Befördern des Zoomobjektivs und des Erfassungssystems, so daß die optische Achse des Zoom/Erfassungssystems ausgerichtet mit dem Strahl, der die Testlinse verläßt, bleibt.
Bei einer gegebenen Subapertur auf der Testlinse werden die Stärke des besten Fokus bzw. die Stärke des Kreises kleinster Verwirrung, Größe und Richtung des Astigmatismus, Größe und Richtung des Prisma und der MTF beim besten Fokus gemessen. Die MTF wird durch eine Fourier-Transformation der gemessenen Punktstreufunktion (PSF) erhalten. Eine Karte einer Linse wird dann durch Abtasten der Linse bei einer Vielzahl von Subaperturstellen konstruiert. Sowohl Oberflächen-, Kontur- und Textausdrücke der Stärke, des Astigmatismus, des Prisma und der MTF als auch Astigmatismus- und Prismavektorenausdrücke werden erstellt.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden eingesehen, wenn dieselben besser durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, wobei:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Brillenglasabbildungsqualitätserfassungseinrichtung (EIQM) entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein beispielhaftes Diagramm einer Radialabweichung über die Testlinsenstärke, erzeugt durch die EIQM der Fig. 1 und verwendet in der Messung der Stärke des besten Fokus, ist;
Fig. 3 ein exemplarisches Diagramm des Verhältnisses von maximaler Abbildungsausdehnung zu minimaler Abbildungsausdehnung über die Testlinsenstärke, erzeugt durch die EIQM der Fig. 1 und verwendet in der Messung der Größe des Astigmatismus, ist;
Fig. 4 eine schematische Ansicht, die die beiden Rotationsachsen des Linsenbefestigungs/Positionierungssystems, die zwei Rotationsachsen des Ausrichtungsauslegers und die zwei linearen Bewegungen des Zoomobjektivs darstellt, ist;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer PAL-Linse, die die Vielzahl von Stellen oder Subaperturen auf der Linse darstellt, bei denen Abbildungsqualitätsmessungen unter Verwendung der EIQM der Fig. 1 durchgeführt werden, ist;
Fig. 6A eine Serie von schematischen Ansichten einer Testlinse bei einer Rotation, die Strahlablenkung darstellend, die sich ergibt, wenn die Vorder- und Hinteroberfläche einer PAL nicht parallel zueinander sind, ist;
Fig. 6B eine Serie von schematischen Ansichten einer Testlinse bei einer Rotation, ähnlich denen der Fig. 6A ist, die Verwendung einer Auslegeranordnung in der EIQM der Fig. 1 darstellend, dessen Rotationspunkt sich an der Hinteroberfläche der PAL befindet und der das Zoomobjektiv und Erfassungssystem trägt;
Fig. 7 ein Diagramm der Zoomobjektivposition über die Testlinsenstärke für die EIQM der Fig. 1, ist, für jede der Linsen, die das Zoomobjektiv umfaßt;
Fig. 8 und 9 Beispiele von Durchfokusabbildungen eines minimalastigmatistischen Bereichs bzw. eines astigmatistischen Bereichs der PAL, erzeugt durch die EIQM der Fig. 1, sind;
Fig. 10 eine schematische Ansicht einer PAL, die PSF über die Oberfläche der Linse an verschiedenen Stellen darstellend, ist;
Fig. 11A, 11B, 11C, 11D, 11E und 11F Konturdiagramme der Stärke des besten Fokus, ein Konturdiagramm der Astigmatismusstärke, ein Vektordiagramm des Astigmatismuswinkels, ein Konturdiagramm der Prismastärke, ein Vektordiagramm des Prismawinkels bzw. ein Konturdiagramm der normalisierten MTF bei 20/20 für Linse A, erzeugt durch die EIQM der Fig. 1, sind;
Fig. 12A, 12B, 12C, 12D, 12E und 12F Konturdiagramme der Stärke des besten Fokus, ein Konturdiagramm der Astigmatismusstärke, ein Vektordiagramm des Astigmatismuswinkels, ein Konturdiagramm der Prismastärke, ein Vektordiagramm des Prismawinkels bzw. ein Konturdiagramm der normalisierten MTF bei 20/20 für Linse B, erzeugt durch die EIQM der Fig. 1, sind;
Fig. 13A, 13B Volldiagramme der MTF der verschiedenen Subaperturen der LINSE A, erzeugt durch die EIQM der Fig. 1, sind; und
Fig. 14A und 14B eine dreidimensionale Karte einer normalisierten MTF bei 20/20 bzw. ein numerisches Diagramm einer normalisierten MTF bei 20/20, aufgetragen über Supaperturstellen, erzeugt durch EIQM der Fig. 1, sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nun bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt das optische Testinstrument 10 oder Brillenglasabbildungsqualitätserfassungsvorrichtung (EIQM) entsprechend der vorliegenden Erfindung im allgemeinen: (a) ein Beleuchtungssystem 12 zum Überbringen eines kollimierten Lichtstrahls einer geeigneten Größe an eine Testlinse; (b) ein Testlinsenbefestigungs/Positionierungssystem 14, das geeignet zur Rotation der Testlinse ist, so daß verschiedene Bereiche auf der Linse beleuchtet werden; (c) ein Zoomobjektiv 16 zur Fokussierung des Strahls bei einer konstanten effektiven Systembrennweite (EFL), wenn er einmal durch eine bestimmte Subapertur der Testlinse hindurchgeht; (d) ein Erfassungssystem 18 zum Aufzeichnen und Messen der Abbildungsqualität der Linse; und (e) einen Ausrichtungsausleger 20 zur Beförderung des Zoomobjektivs und des Erfassungssystems, so daß die optische Achse des Zoom/Erfassungssystems ausgerichtet mit dem Strahl, der die Testlinse verläßt, bleibt. Zusätzlich, da es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die EIQM vollautomatisiert ist, ist das Instrument 10 bevorzugt an ein mikroprozessorgesteuertes Computersystem 22 zur Steuerung der Abbildungsqualitätserfassungsvorrichtung und Analyse der erhaltenen Daten verbunden. Jede der Komponenten der EIQM wird nachfolgend im Detail beschrieben. Zunächst wird jedoch eine kurze Beschreibung der Typen der Abbildungsqualitätsmessungen, die bei Verwendung des Systems möglich sind, bereitgestellt.

I. MESSUNGEN DER ABBILDUNGSQUALITÄT

A. Stärke des besten Fokus bzw. Stärke des Kreises kleinster Verwirrung

Die Stärke einer PAL wird aus der Position des Zoomobjektivs, das zu der besten Abbildungsqualität führt, bestimmt. Während eines Tests wird das Zoomobjektiv durch einen Bereich von Positionen bewegt und die Abbildungsqualität wird bei jeder Position gemessen. Eine hilfreiche Anzeige der Abbildungsqualität ist die Punktstreufunktion, die durch eine Linse produziert wird.

1. Punktstreufunktion

Eines der einzigartigen Merkmale der EIQM ist die Möglichkeit, die Punktstreufunktion (PSF), die durch eine Subapertur der Testlinse erzeugt wird, zu messen. Die PSF ist eine Messung einer Lichtintensitätsverteilung. Im allgemeinen zeigt eine kleinere PSF eine bessere Abbildungsqualität als eine große PSF an, da größere PSFs aus größeren Abweichungen in der Linse resultieren. Eine hilfreiche Messung der Größe einer PSF ist die radiale Abweichung, die die Größe der Lichtverteilung über ihre Hauptpositionen beschreibt. Das folgende Verfahren beschreibt, wie die radiale Abweichung berechnet werden kann. Als erstes wird der Schwerpunkt einer gegebenen Abbildung gefunden. Die radiale Abweichung ist eine Messung, wie eng das Licht über den Schwerpunkt als eine Funktion des radialen Abstands von dem Schwerpunkt verteilt wird. Diese Größe oder vielmehr ihr Effektivwert (RMS) wird weitestgehend sowohl in der Linsenausgestaltung als auch dem Linsentesten verwendet, um die Stelle des besten Fokus zu finden. Die radiale Varianz wird für jede der Vielzahl von Abbildungen, die durch den Fokus für eine gegebene Subapertur auf der Testlinse aufgenommen werden, aufgefunden, ein Polynom wird an die Daten angepaßt und die Stärke des Zoomobjektivs, wo die radiale Varianz minimal ist, wird aufgenommen. Diese Stärke ist die Stärke des besten Fokus und dies ist dort, wo die endgültige PSF aufgezeichnet wird.
Ein Diagramm der radialen Varianz, aufgetragen über die Stärke, ist in Fig. 2 gezeigt. Man kann sehen, daß ein deutliches Minimum in der radialen Varianz bei ungefähr 0,35 D liegt. Die Analysesoftware, die in der EIQM verwendet wird, hat eine Kurve an die Daten angepaßt und berechnet, daß das Minimum bei 0,3449141 D liegt. Dies ist die Stärke des besten Fokus.

B. Astigmatismus

Die EIQM ist ebenfalls geeignet, Astigmatismusmessungen für PALs durchzuführen, sowohl im Hinblick auf ein Ausmaß als auch im Hinblick auf eine Ausrichtung. Wenn signifikanter Astigmatismus an besonderen Stellen auf der Testlinse vorhanden ist, werden zwei Linienabbildungen gebildet, eine bei einer ersten Stärkeneinstellung und eine andere bei einer anderen. Der Unterschied in der Stärke zwischen den beiden Linienbildern wird als die Astigmatismusstärke festgelegt. Der Winkel der Abbildung der Linie mit geringerer Stärke ergibt den Astigmatismuswinkel oder die -achse.
Um die Stellen der Linienabbildungen zu bestimmen, wird eher eine Messung der Abbildungsausdehnung in einer Richtung verwendet, als die zweidimensionale radiale Varianz, die verwendet wird, um den besten Fokus bzw. Kreis kleinster Verwirrung zu finden. Wenn die eindimensionale Abbildungsausdehnung entlang einer Linie durch den Schwerpunkt einer Abbildung als eine Funktion der Winkelausrichtung der Linie gemessen wird, wird eine maximale Ausdehnung (entlang der Linienabbildung) und eine minimale Ausdehnung (über die Linienabbildung) erhalten. Das Verhältnis der minimalen Ausdehnung zu der maximalen Ausdehnung für die Vielzahl von Durchfokusabbildungen, die bei einer gegebenen Subapertur auf einer Linse aufgenommen werden, kann gegen die Stärke, wie in Fig. 3 zu sehen, aufgetragen werden. Dieses Verhältnis variiert von Null für ein Linienbild bis 1 für ein kreisförmiges Bild. Daher entsprechen die zwei Stellen auf dem Diagramm, wo das Verhältnis sich Null nähert, den zwei Linienfokussen, wenn Astigmatismus vorhanden ist. An diesen beiden Stellen kann man die Astigmatismusstärke durch Verwendung der Differenz in der Stärke berechnen.
Bezugnehmend auf Fig. 3 kann man sehen, daß zwei Minima zwei bestimmten Linienfokussen entsprechen. Die Differenz zwischen diesen beträgt ungefähr 0,35 D. Dies ist die Astigmatismusstärke. Die Analysesoftware, die in der EIQM verwendet wird, paßt eine Kurve an die Daten um jedes Minimum an, um noch genauer den Astigmatismus zu bestimmen.
Für reinen Astigmatismus wird die Stärke des besten Fokus auf halbem Weg zwischen den beiden Linienfokussen gefunden. Jedoch, wenn andere Abweichungen vorhanden sind (z. B. sphärische Aberrationen, Koma usw.) befindet sich die Stelle der besten Fokusstärke nicht exakt an dem Mittelpunkt und kann durch Verwendung der minimalen radialen Varianz, die zuvor diskutiert wurde, gefunden werden.

C. Prisma

Ein weiteres wichtiges charakteristisches Merkmal von PALs, zu dessen Messung die EIQM geeignet ist, ist die Messung des Linsenprisma. Das Linsenprisma ist eine Messung, wie stark ein Strahl von seinem Ursprungsweg nach Durchgang durch einen bestimmten Punkt auf der Linse abgelenkt wird. Die übliche Einheit der Messung ist die Prismendioptrie, die als die laterale Versetzung des Strahls von seiner Anfangsstelle auf einer Oberfläche, die sich 1 Meter hinter der Linse befindet, gemessen in Zentimetern, festgelegt ist. In anderen Worten, entspricht 1 Prismendioptrie einer Winkelabweichung von 10 Milliradianten. Die EIQM bestimmt das Prisma an jeder Teststelle einfach durch Aufzeichnen der Winkelposition des Auslegers in bezug auf die Auf-Achsen bzw. Nullposition (siehe Fig. 6B).

D. Modulationsübertragungsfunktion

Ein weiterer einzigartiger Aspekt der EIQM ist die Möglichkeit der Durchführung von Modulationstransferfunktions (MTF)-Messungen. Wenn die EIQM einmal die PSF, die durch eine Linse, wie zuvor beschrieben, erzeugt wird, gemessen hat, wird eine Fourier- Transformation auf die PSF durchgeführt, um die MTF zu erhalten. Die MTF ist die Größe der Fourier-Transformation der zweidimensionalen PSF. Die MTF wird im allgemeinen über die Ortsfrequenz in Perioden/mm aufgetragen. Die MTF kann ebenfalls über die Winkelfrequenz in Perioden/mrad aufgetragen werden. In einem Fokussiersystem wird dies durch Multiplizierung der Ortsfunktionswerte mit der Brennweite des Systems durchgeführt. In einer Ausführungsform der Erfindung trägt die EIQM die Linsen-MTF über die Winkelfrequenz auf, da die Sehstärke im allgemeinen in Winkeleinheiten ausgedrückt wird. Um die Auswertung einer gegebenen MTF einer Linse zu vereinfachen, werden verschiedene Schnitte durch das Zentrum der PSF normalerweise aufgetragen. Im allgemeinen werden vier Schnitte bei verschiedenen räumlichen Ausrichtungen oder Winkeln aufgetragen, wie die 0, 45, 90 und 135 Grad Schnitte.
Durch Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens wird die MTF gleichzeitig für alle räumlichen Ausrichtungen und alle Ortsfrequenzen bis zum Nyquist-Grenzwert des Detektors, der zur Aufzeichnung der PSF verwendet wird, erhalten. Zum Beispiel sind in einem Prototyp der EIQM die Detektoren 19 Mikrometer breit, so daß die höchste Ortsfrequenz, die detektiert werden kann, 1/(2 · 0,019 mm) = 26,3 Perioden/mm ist. Mit einer Systembrennweite von 600 mm wird dies zu 0,6 m · 26,3 Perioden/mm = 15,8 Perioden/mrad. Da der beste Wert einer Linse, den sie mit einer 5 mm Pupille erreichen kann, D/λ = 5 mm/543 nm = 9,2 Perioden/mrad ist, ist der Detektor mehr als ausreichend, um alle Orts- oder Winkelfrequenzen aufzuzeichnen.

II. BELEUCHTUNGSSYSTEM

Das EIQM beginnt mit einem Beleuchtungssystem 12, das derart ausgeführt ist, um einen kollimierten Strahl von geeigneter Größe an die Testlinse 24 von einer Lichtquelle 26 zu überbringen. In einer Ausführungsform der EIQM wird ein 543 nm grüner He-Ne-Laser als die Quelle verwendet und wird räumlich durch Verwendung eines 5 Mikrometer-Nadellochs gefiltert. Ein nicht beschränkendes Beispiel für einen geeigneten Laser zur Verwendung in der EIQM ist ein 1 mW, linearpolarisierter 543 nm grüner He-Ne-Laser, der von Melles Griot, Irvine, Kalifornien, erhältlich ist.
Es sollte beachtet werden, daß eine Breitbandquelle, wie eine Weißlichtquelle (z. B. eine Quarzhalogenlampe) oder eine Leuchtdiode (z. B. eine grüne LED) alternativ als die Lichtquelle benutzt werden kann. In solchen alternativen Ausführungsformen kann ein Schmalbandinterferenzfilter (z. B. ein 550 nm-Filter) verwendet werden, um die Testwellenlänge auszuwählen. Die Verwendung eines Lasers als eine Lichtquelle bietet besondere Vorteile gegenüber einer Breitbandlichtquelle, umfassend eine leichtere Ausrichtung, größere Leistung und einen gleichmäßigeren Strahl. Jedoch wird, da der Laser eine so große Leistung produziert, bevorzugt in dem Beleuchtungssystem ein Neutraldichtefilter angeordnet, um den Strahl abzuschwächen und eine Sättigung des Erfassungssystems zu vermeiden.
Während des anfänglichen Testens der EIQM wurde die spektrale Bandbreite der Lichtquelle anfänglich auf 550 ± 10 nm bei Verwendung einer Breitbandlichtquelle und einem Filter eins gestellt, da meistens Brillenglastestungen bei oder nahe 550 nm durchgeführt werden, um eine Stetigkeit über das Feld bereitzustellen. Nachfolgend wurde bestimmt, daß auf den 543 nm Laser gewechselt wird.
Ein Kollimator 28 wurde dann verwendet, um einen kollimierten Strahl an die Testlinse zu überbringen. In einer Ausführungsform enthält der Kollimator ein 20fach Mikroskopobjektiv 30, gefolgt von einem Nadelloch und dann einer achromatischen Linse 32. Die achromatische Linse 32, die in einem Prototypen der EIQM verwendet wird, ist ein achromatisches Dublett, das eine Kombination aus einem positiven, Niedrigdispersionselement und einem negativen, Hochdispersionselement, die zusammengekittet sind um eine positive Linse, die im wesentlichen keine Dispersion im sichtbaren Spektrum aufweist, zu bilden, ist. Zusätzlich dazu, daß achromatische Dubletts geringere chromatische Abweichungen zeigen, weisen diese bedeutend geringere Mengen an anderen Abweichungen (sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus usw.) als Singuleus auf. Der Fachmann sollte jedoch erkennen, daß andere Linsen, wie ein asphärisches Singulett oder ein luftbeabstandetes Dublett alternativ für die Kollimation verwendet werden können. Geeignete Komponenten für den Kollimator, der zuvor beschrieben wurde, sind von Newport, in Irvine, Kalifornien, und Spindler-Hoyer, in Milford, Massachusetts, erhältlich.
Der Durchmesser des kollimierten Strahls wird durch Verwendung einer einstellbaren Apertur 34 eingestellt. Beispielsweise kann der Strahl durch Verwendung einer von vier Öffnungen (2, 3, 5 und 7 mm) in einer Gleitplatte eingestellt werden. Diese Strahldurchmesser decken den typischen Bereich von Pupillengrößen für das menschliche Auge unter verschiedenen Beleuchtungszuständen ab. Tests mit schmaleren Pupillendurchmessern können durchgeführt werden, um sowohl helle Sichtzustände zu simulieren oder um einfach eine Abbildungsqualitätskarte mit genaueren Details über die Testlinse zu erhalten. Tests mit größeren Pupillendurchmessern simulieren dunklere Sichtzustände. Alternativ kann ein einstellbares Aperturrad oder eine einstellbare Iris anstelle der einstellbaren Aperturplatte verwendet werden, um den Durchmesser des Strahls einzustellen.

III. TESTLINSENBEFESTIGUNGS/POSITIONIERUNGSSYSTEM

Die zu testende Linse 24 folgt dem Beleuchtungssystem, wird durch ein Befestigungs/Positionierungssystem 14 gehalten und wird durch den kollimierten Strahl beleuchtet. Ein vorrangiges Ziel der EIQM ist es, die Art, in der die Brillenglaslinse durch das menschliche Auge verwendet wird, zu simulieren. Das menschliche Auge weist ein Rotationszentrum auf und wenn das Auge rotiert, bildet das Licht, das durch die Brillenglaslinse und die Pupille hindurchgeht, einen Satz von Strahlen, der sich um das Zentrum der Rotation des Auges dreht. Um dies zu simulieren, ist das Befestigungs/Positionierungssystem ausgebildet um die Linse um einen Rotationspunkt 35 hinter der Hinteroberfläche der Testlinse zu rotieren. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform wird ein 27 mm-Radius für die Rotation der Testlinse verwendet. Der 27 mm-Radius wurde ausgewählt, weil er einheitlich in der relevanten Literatur als ein mittlerer Abstand zwischen dem Zentrum der Rotation des Auges und dem hinteren Scheitel der Brillenglaslinse verwendet wird; dennoch ist die EIQM geeignet zur Durchführung von Messungen mit einem variablen Rotationsabstand.
Um diese Rotation zu erlauben, ist eine Linsenbefestigung 36 an ein Zweiachsen- Rotationsobjekttischsystem, das verwendet wird, um die Testlinse so zu positionieren, daß verschiedene Bereiche auf der Linse zur Messung beleuchtet werden, gekoppelt. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Zweiachsen-Rotationsobjekttischsystem zwei motorisierte Rotationsobjekttische. Geeignete motorisierte Niedrigkapazitäts- Rotationsobjekttische sind verfügbar von Velmex in Bloomfiled, New York. Das Zweiachsen-Rotationsobjekttischsystem ist derartig ausgeführt, daß, wenn die Z-Achse die optische Achse ist, es der Linse möglich ist, um eine Linie parallel zu der X-Achse und um eine Linie parallel zu der Y-Achse zu rotieren, um das menschliche Auge, wie zuvor beschrieben, zu simulieren. In Fig. 4 bezeichnen die Pfeile 40, 42 die Zweiachsenrotation der Linse.
In einer Ausführungsform der EIQM wird ein dreiarmiger, selbstzentrierender Linsenhalter als Linsenbefestigung verwendet (die Testlinsen sind typischerweise ungeschärft und normalerweise ungefähr 76 mm im Durchmesser groß). Eine Einstellschraube in der Befestigung wird verwendet, um zu verhindern, daß die Arme zu große Kräfte auf die Linse ausüben. Eine geeignete 80 mm-Durchmesser, dreiarmige, selbstzentrierende Linsenbefestigung ist von Melles Griot in Irvine, Kalifornien, verfügbar.
Das Zweiachsen-Rotationsobjekttischsystem für das Linsenbefestigungs/Positionierungssystem wird verwendet, um sequentiell die Testlinse an einer vorher festgelegten Liste von Stellen oder Subaperturen auf der Testlinse zu positionieren, um Abbildungsqualitätsmessungen durchzuführen. Die speziellen Stellen auf der Testlinse werden durch die Eigenschaften, die getestet werden, die Größe des Teststrahls und die erwünschten Informationen über die Testlinse festgelegt. Zum Beispiel hat die EIQM mit einer typischen PAL und einem 5 mm Durchmesserteststrahl 103 Meßstellen verwendet, die gröber in dem oberen Fernbereich und feiner um den Übergangsbereich und Nahbereich (Fig. 5) beabstandet sind. Die Liste der Linsenpositionen ist einfach eine Liste von Winkeln (ein horizontaler Winkel und ein vertikaler Winkel für jede Position), die dem Computer bereitgestellt wird. Die Winkel legen fest, wie das Zweiachsen-Rotationsobjekttischsystem 38 um den Augenrotationspunkt für jede Position rotieren soll. An jeder Linsenposition wird die Stärke, der Astigmatismus (Größe und Winkel), das Prisma (Größe und Winkel) und die MTF berechnet und verwendet, um die Abbildungsqualität über die Linse zu messen.
Wenn ein 3 mm-Durchmesserteststrahl verwendet wird, kann es wünschenswert sein, die Gesamtzahl von Meßpunkten zu erhöhen (das heißt den Abstand zwischen benachbarten Punkten zu verringern) um noch genauer die Linse zu erfassen. Auf jeden Fall sollte der Abstand zwischen den Meßpunkten bevorzugterweise so eingestellt werden, daß die Ausleuchtzonen des Strahls auf der Linse sich nicht überlappen.
Das vorherige Verfahren ist vollautomatisiert und durch den Computer 22 der EIQM gesteuert. Die zwei Rotationsachsen für die Testlinse sind mit Grenzerfassungsschaltern motorisiert und durch den Computer gesteuert. Eine Liste von Linsenpositionen, wo das Testen durchgeführt werden soll, wird in den Computer geladen. Der Computer richtet das motorisiertes Rotationsobjekttischsystem 38 aus, um die Linse sequentiell in jeder der festgelegten Positionen zu positionieren, so daß geeignete Messungen durchgeführt werden können, bevor die Linse in die nächste Position rotiert wird.

IV. AUSRICHTUNGSAUSLEGER

Eine bedeutende Komplikation tritt auf, wenn eine PAL in der zuvor beschriebenen Weise rotiert wird. Bezugnehmend auf Fig. 6A trifft der Teststrahl im allgemeinen nicht aus der Normalrichtung auf die Vorderoberfläche der PAL. Wenn die Linse sich während des Test bewegt, wird der Teststrahl über die Hinteroberfläche der PAL abgelenkt und verkippt sich um einen signifikanten Winkel, wenn er die Linse verläßt. Mit anderen Worten sind der einfallende, kollimierte Strahl 37 und der Strahl, der durch die Linse während des Tests 39 gebrochen wird, nicht parallel zueinander.
Die EIQM überwindet dieses Problem durch Rotation des Zoomobjektiv/Erfassungssystems auf einem Ausleger, um den Ablenkungspunkt 41 des Strahls an der Testlinse (Fig. 4). Mit anderen Worten sind sowohl das Zoomobjektiv als auch das Erfasungssystem an dem Ausleger befestigt und rotieren gemeinsam um die Testlinse, so daß Licht, das durch die Linse während des Tests übertragen wird, entlang oder nahezu entlang der Achse des Zoomobjektivs übertragen wird und nahe der Mitte des Erfassungssystems einfällt. Nachdem die Linse zu einem neuen Meßpunkt bewegt worden ist, wird der Ausleger rotiert, bis die Abbildung wieder auf dem Detektor mittig ausgerichtet ist.
Um es dem Zoomobjektiv/Erfassungssystem zu ermöglichen, sich an dem Strahl, der von der Testlinse austritt, auszurichten und zu zentrieren, ist der Ausrichtungsausleger an das Zweiachsen-Rotationsobjekttischsystem gekoppelt. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Zweiachsen-Rotationsobjekttischsystem zwei motorisiertes Rotationsobjekttische. Geeignete motorisierte Hochkapazitäts- Rotationsobjekttische sind von Velmex in Bloomfield, New York erhältlich.
Eine der Herausforderungen bei der Ausgestaltung des Auslegersystems war es, daß eine stabile, vibrationsfreie Bewegung über große Winkelwege notwendig war. Der größte Teil der Auslegerstruktur wurde aus Aluminium hergestellt, um das Gewicht zu minimieren, mit Stahlhaltern, die verwendet wurden, um den Ausleger an die Rotationsobjekttische zu koppeln. Aufgrund der ziemlich schweren freitragenden Last wurden große kommerzielle Rotationsobjekttische für die Zweiachsenrotation des Auslegers ausgewählt. Zusätzlich wurde ein Gegengewicht ausgebildet um die Auflagerungen in dem Anhebungsrotationsobjekt gegen exzessive Abnutzung aufgrund von exzentrischen Lasten zu schützen.
In Fig. 4 bezeichnen die Pfeile 46, 48 die Zweiachsenrotation des Auslegers. Wie zuvor beschrieben, ist der Betrieb des Auslegersystems vollautomatisiert und durch den Computer 22 der EIQM gesteuert. Die zwei Rotationsachsen des Auslegers sind motorisiert mit Grenzerfassungsschaltern und gesteuert durch den Computer. Wenn die Testlinse einmal von einem Meßpunkt zu dem nächsten rotiert ist, wird der Ausleger durch das motorisierte Zweiachsenrotationsobjekttischsystem 44 bewegt, um die Abbildung auf dem Erfassungssystem wieder zu zentrieren. Manchmal wird der Strahl sich komplett außerhalb der aktiven Oberfläche des Erfassungssystems bewegen, insbesondere mit hochstärkigen Linsen, wenn die Linse zu dem nächsten Meßpunkt bewegt wird. Um dies zu verhindern, kann es notwendig sein, den Strahl zu verfolgen. Dies bezieht sich auf das Verfahren, nur einen Teil des Weges zu dem nächsten Meßpunkt zu bewegen, anzuhalten, den Ausleger einzustellen, um die Abbildung zu rezentrieren und dann fortzufahren, bis der nächste Meßpunkt ohne Verlieren des Strahls erreicht ist. Für die Linsen, die zur Zeit mit der EIQM getestet wurden, waren nur zwei Schritte zwischen beliebigen zwei Meßpunkten notwendig; jedoch können für höherstärkige Linsen mehr Schritte notwendig sein, um einen Verlust des Strahls zu verhindern.
Andere Mittel, die sich mit dem Strahlablenkungsproblem beschäftigen, können alternativ verwendet werden, um das Auslegersystem zu ersetzen. Beispielsweise kann ein einstellbares Prisma direkt hinter der Linse angeordnet werden, um den Strahl auf seine Anfangsachse zurückzubringen, oder ein Weitsehfeldzoomobjektiv kann verwendet werden, um den austretenden Lichtstrahl ohne die Notwendigkeit zur Bewegung des Erfassungssystems einzufangen.

V. ZOOMOBJEKTIV

Die Messung der Abbildungsqualität ist ferner kompliziert, da PALs eine räumlich sich ändernde Stärke oder Brennweite aufweisen. Das heißt, verschiedene Teile der Linse fokussieren bei verschiedenen Abständen von der progressiven Linse. Ferner können einige Testlinsen negative Stärken aufweisen. Daher wird ein zusätzliches optisches System verwendet, um das Licht zu fokussieren. Während das Problem einer variierenden Stärke durch Verwendung eines einstellbaren Translationssystems, um das Erfassungssystem entlang dem optischen System zu bewegen, um die Abbildung während des Tests zu fokussieren, überwunden werden kann, ist dies eine teure und komplexe Lösung. Darüberhinaus variiert die effektive Brennweite (EFL) des optischen Systems bestehend aus der PAL und der Fokussierlinse ebenfalls, wenn die Stärke der PAL variiert, aber die Stärke der Fokussierlinse fest ist. Die Größe einer PSF für eine gegebene Menge an Abweichungen variiert proportional zu der System-EFL. Daher wird ein direkter Vergleich der PSFs von verschiedenen Stellen auf der Linse schwierig, wenn die System-EFL variiert.
Um diesem Problem zu begegnen, wurde ein einzigartiges Zoomobjektiv ausgestaltet, um den Strahl auf dem Erfassungssystem bei einer konstanten System-EFL zu fokussieren. Dies erlaubt es, daß das Erfassungssystem in einem festen Abstand von der PAL positioniert werden kann. Zusätzlich wird eine Skalierung der PSFs für einen direkten Vergleich vermieden, da die System-EFL konstant für jede Teststelle auf der PAL bleibt.
In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform enthält das Zoomobjektiv zwei Elemente, ein positives achromatisches Element 50 gefolgt durch ein bikonkaves Singulett 52. Geeignete Elemente für das Zoomobjektiv enthalten eine 80 mm-EFL achromatische Doublettlinse und eine -20 mm EFL bikonkave Linse, die verfügbar von Spindler-Hoyer in Milford, Massachusetts sind.
Zusätzlich enthält das Zoomobjektiv zwei motorisierte lineare Translationsobjekttische, die auf dem Ausleger befestigt sind. Die vordere, achromatische Linse des Zoomobjektivs ist an einen ersten, längeren Objekttisch gekoppelt, während die hintere, bikonkave Linse an einen zweiten, kürzeren Objekttisch gekoppelt ist, der selber an den längeren Objekttisch gekoppelt ist. Diese Anordnung sieht die Einstellung eines axialen Abstands zwischen der PAL und dem achromatischen Element und unabhängig zwischen dem achromatischen Element und der bikonkaven Linse vor, so daß die System-EFL konstant für veränderliche PAL-Stärken gehalten werden kann. Mit anderen Worten erlauben die linearen Objekttische den zwei Elementen des Zoomobjektivs, sich beim Zoomen entlang der optischen Achse durch ihre Mittelpunkte zu bewegen, um die System-EFL konstant zu halten. Geeignete motorisierte lineare Translationsobjekttische sind verfügbar von Velmex in Bloomfield, New York.
In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform wird das Zoomobjektiv verwendet, um den Strahl auf dem Erfassungssystem bei einer konstanten System-EFL von 605 mm zu fokussieren. Diese Brennweite produziert eine beugungsbegrenzte PSF, die groß genug für ein genaues Abtasten durch das Erfassungssystem ist. Das Zoomobjektiv, das zur Zeit in der EIQM verwendet wird, kann sich an jede PAL-Stärke im Bereich von -0,5 bis +2,8 Dioptrien anpassen. Das Zoomsystem wurde in CodeV® von Optical Research Associated, Pasadena, Kalifornien gestaltet, durch Optimierung der axialen Stellen der zwei Zoomlinsen für eine Serie von achsnahen Linsen verschiedener Stärken, die an der Testlinsenposition angeordnet wurden, so daß die gesamte System-EFL bei 605 mm mit einer guten Abbildungsqualität (einer Abbildungsebene, die im Bezug auf die PAL feststand) blieb. Dreizehn Linsenstärken (was 13 verschiedene Zoompositionen ergibt) wurden verwendet, um genug Daten zu erhalten, um ein Polynom höherer Ordnung an die einzelnen Wege der Zoomlinsen anzupassen. Die Wege entlang denen diese Zoomlinsen in bezug auf die Testlinse bewegen, sind nicht linear, wie in Fig. 7 gezeigt.
In Fig. 4 bezeichnen die Pfeile 58 und 60 die lineare Bewegung des Zoomobjektivs und seiner einzelnen Elemente. Wie zuvor beschrieben, ist der Betrieb des Zoomobjektivs vollautomatisiert und durch den Computer 22 der EIQM gesteuert. Die zwei linearen Translationsachsen für das Zoomobjektiv sind mit Grenzerfassungsschaltern motorisiert und durch den Computer gesteuert. Wenn der Ausleger einmal rotiert wird, um die optische Achse des Zoomobjektivs im wesentlichen parallel mit dem Lichtstrahl, der die Linse während des Tests verläßt, zu bringen, wird das Zoomobjektiv durch eine Vielzahl von festgelegten Testpositionen für jede Subapertur auf der Linse bewegt und die Abbildungsqualität wird durch das Erfassungssystem gemessen.
Der Fachmann wird realisieren, daß andere Linsenausgestaltungen für das Zoomsystem möglich sind. Zum Beispiel wird zur Zeit ein Dreielementenzoomobjektiv mit einem großen Stärkenbereich für die EIQM entwickelt.

VI. ERFASSUNGSSYSTEM

Mehrere verschiedene Verfahren und Erfassungssysteme können mit der EIQM zur Messung einer Abbildungsqualität verwendet werden. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform enthält das Erfassungssystem eine Kamera 62 zur Messung der Lichtintensitätsverteilung, im allgemeinen als die PSF bezeichnet.
Die Kamera, die in dem Erfassungssystem zur Zeit verwendet wird, ist bevorzugterweise eine Ladungsgekoppelte Bauelement- (CCD)-Kamera, die aus einem zweidimensionalen Feld von Bildpunkten oder Detektoren besteht. Die wahre PSF eines optischen Systems ist eine kontinuierliche, zweidimensionale Lichtintensitätsverteilung. Jedoch wird, wenn eine CCD verwendet wird, um die PSF zu messen, ein diskretes, zweidimensionales Feld von Intensitätswerten erhalten, eine für jeden Bildpunkt. Der Abstand und die Größe der Bildpunkte, der bzw. die verwendet wird, um die PSF abzutasten, muß in Betracht gezogen werden, wenn Berechnungen aus der PSF durchgeführt werden, solche, wie diejenigen, die verwendet werden, um die MTF zu erhalten.
Ein anderer Typ eines Felddetektors, der verwendet werden kann, ist ein Ladungs-Injektions- Bauelement (CID). Die vorrangigen Aufgaben eines Felddetektors sind es, daß er ein sehr geringes Rauschen und einen großen dynamischen Bereich aufweist, so daß feine Merkmale der PSF gesehen werden können. Eine genaue PSF führt zu einer genauen MTF. In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform wird eine 512 · 512, 14 Bit, gekühlte CCD-Kamera mit der EIQM verwendet. Eine geeignete CCD-Kamera zur Verwendung in der EIQM ist von Photometrics in Tucson, Arizona verfügbar.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Erfassungssystem eine Messerschnittabtastung vor einem Einzelelementdetektor, um die Linienstreufunktion (LSF) einer Abbildung zu messen. Die LSF stellt eine Messung der Ausdehnung der Abbildung entlang einer Achse bereit. Einzelelementdetektoren, wie eine Siliciumphotodiode, Photomultiplierrohre, thermoelektrische Detektoren und Thermosäulendetektoren, weisen eine einzelne Erfassungsoberfläche mit nur einem Ausgang, nicht einem Feld von Detektoren, wie eine CCD, auf und können nicht selber die räumliche Verteilung einer Abbildung angeben. Daher muß ein Messerschnitt, Schlitz oder Nadelloch durch die Abbildung vor solchen Einzelelementdetektoren bewegt werden, während ihre Ausgabe abgetastet wird, um die Ortsverteilung des Lichtes zu bestimmen.
Ferner kann die MTF für eine einzelne Ausrichtung aber für alle Ortsfrequenzen durch eine Fourier-Transformation der LSF erhalten werden. Im allgemeinen muß der Abtastmesserschnitttest für verschiedene Ausrichtungen (z. B. 0, 45, 90 und 135 Grad) des Messerschnitts in der transversalen Ebene wiederholt werden, um einen repräsentativen Datensatz der Abbildungsqualität zu erhalten. Der beste Fokus kann durch Wiederholung eines Satzes von vier LSF-Messungen, wie einem Satz von Ebenen entlang der optischen Achse und Lokalisierung der Ebene, wo die mittlere LSF-Ausdehnung minimiert ist, lokalisiert werden. Der gleiche Datensatz kann verwendet werden, um die Größe und Ausrichtung des Astigmatismus zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält das Erfassungssystem ein Interferometer, das geeignet ist, um die Abbildungsqualität, die mit einem Strahl nahe dem Fokus verbunden ist, zu messen, wie ein Scherinterferometer oder ein intelligentes Punktdiffraktionsinterferometer (PDI). Diese Interferometer messen die Wellenfrontabweichung, die mit einer Abbildung verbunden sind, durch Interferieren zweier Wellenfronten, die von der gleichen Lichtquelle abgezweigt werden. Aus der Wellenfrontabweichungsmessung kann die quadratische Mittel (RMS)-Wellenfrontabweichung bestimmt werden. Der beste Fokus bzw. Kreis kleinster Verwirrung kann durch Auffinden der Ebene, wo die RMS-Wellenfrontabweichung minimiert ist, aufgefunden werden.
In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform sind alle der EIQM-Komponenten auf einer Aluminiumbasisplatte befestigt. Ein schwarzes lichtdichtes Plexiglasgehäuse wurde entworfen, um das System während des Betriebs abzudecken. Auf der Oberseite der Abdeckung befindet sich eine Abdeckplatte, die einen Zugang zu den Testlinsen ermöglicht.

VII. KALIBRIERUNG DER EIQM

Nach dem Zusammenbau und der Ausrichtung des Systems sollte die EIQM kalibriert werden. Zu diesem Zweck wurde das EIQM für gemessene Leistungen, Abbildungsqualität/MTF, Abbildungszentrierung und System-EFL durch den Zoombereich unter Verwendung einer Serie von Hochqualitätslaborlinsen nachfolgend dem anfänglichen Systemzusammenbau und -ausrichtung, überprüft. Die gemessenen Stärken waren alle innerhalb von 1% der bescheinigten Werte, die Abbildungen waren alle beugungsbegrenzt und blieben durchfokuszentriert für jede Linse bis innerhalb von ±20 Pixel und die System-EFL blieb konstant bis innerhalb von ±5 mm. Die EFL des Systems wurde durch den Zoombereich unter Verwendung eines Gitters mit 118, 11 Linien pro Zentimeter (300 Linien pro Inch), das vor den Kalibrationslinsen angeordnet wurde, gemessen. Die Trennung der 0ten und ±1. Ordnungen auf der CCD wurden dann verwendet, um die EFL zu berechnen.
Danach wurde das Instrument für den gemessenen Astigmatismus überprüft. Zwei Einzelbeobachtungslinsen mit 1,0 D und vorgeschriebenem Astigmatismus wurden verwendet. Der Astigmatismus an dem geometrischen Zentrum jeder Linse wurde zuerst mit einem Hochqualitätslinsentestexperimentiertisch bis zu einer Genauigkeit von ±0,05 D gemessen. Die Astismatismuswerte, die durch die EIQM gemessen wurden, befanden sich innerhalb von ± 0,1 D der eingestellten Werte.
Die Instrumenten-PSFs/MTFs wurden dann aufgenommen, wobei keine Testlinse am Platze vorhanden war und das Zoom auf 0 D eingestellt war, für alle Bin-Einstellungen (1, 2, 4 & 10) (siehe Abschnitt VIII). Es wurde herausgefunden, daß das Instrument beugungsbegrenzt für Bin-Faktoren von 1 & 2 ist. Das Aliasing der gemessenen MTFs für die Bin-Faktoren von 4 & 10 entsprach denjenigen, die durch die Theorie vorhergesagt werden. Jedoch sollte die Abschneidefrequenz für jede Abbildung mit den verwendeten Bin-Auswahlregeln unterhalb der Frequenz für das verwendete Binning sein.
Das zuvor beschriebene Kalibrationsverfahren wird bevorzugterweise auf einer periodischen Basis ausgeführt, um eine kontinuierliche Instrumentengenauigkeit sicherzustellen.

VIII. EXEMPLARISCHES TESTVERFAHREN, DAS DIE EIQM VERWENDET

Ungeschliffene Testlinsen wurden mit Markierungen empfangen, die die Stellen des optischen Zentrums, des Nah- oder Lesebereichs als auch der genauen horizontalen Ausrichtung der Linse anzeigen. Unter Verwendung dieser Markierungen wird eine Serie von Ausrichtungsmarkierungen entlang des Randes der Linse angebracht, so daß die Herstellungsmarkierungen von der Vorderseite der Linse entfernt werden können. Die Linse wird dann in der EIQM in ihrer Normalausrichtung unter Verwendung der Randmarkierungen als Anhaltspunkt befestigt. Der gewünschte Testaperturdurchmesser wird dann eingestellt. Die Abdeckung wird dann geschlossen und das Hauptinstrumentsteuerungsprogramm wird ablaufen gelassen. Der erste Schritt in dem Programm ist die Initialisierung aller Objekttische. Grenzschalter werden verwendet, um die Objekttische in die Ausgangsstellung zu führen, wobei die PAL dann auf den ersten Testpunkt (an dem geometrischen Zentrum der Linse) eingestellt wird, das Zoomsystem wird auf -0,5 D eingestellt und der Ausleger wird justiert, um die Abbildung auf der CCD zu zentrieren.
An jedem der Testpunkte oder Subaperturen werden 20 Abbildungen aufgenommen, gleichmäßig beabstandet durch den -0,5 bis +2,8 Bereich der Zoomoptik. Für jede der erfaßten Durchfokusabbildungen (siehe Fig. 8 und 9 als Beispiele) werden die folgenden Parameter automatisch aufgenommen oder berechnet: die Stärke, die der Zoomposition entspricht, die Schwerpunktstelle der Abbildungen, die radiale Varianz der Abbildung, die Abbildungsausdehnungen entlang und durch einen Linienfit an die Abbildung (zur Messungen des Astigmatismus), Winkel der Linienabbildungen, maximaler Bildpunktwert und die Summe aller Bildpunktwerte. Die Stelle des besten Fokus wird aus den Durchfokusradialvarianzen berechnet. Eine Parabel wird an die Daten, die die minimale radiale Varianz der 20 gemessenen Durchfokusse (siehe Fig. 2) angepaßt. Das Minimum dieser angepaßten Kurve wird dann der beste Fokus (in Dioptrien) für diese Subapertur. Das Zoomsystem wird dann an diese Position bewegt, die Stärke aufgenommen und eine PSF-Abbildung aufgenommen. Die Winkelposition des Auslegers wird ebenfalls aufgenommen, um das Prisma zu bestimmen.
Abhängig von der Größe der Abbildung des besten Fokus (wie durch die radiale Varianz bestimmt) wird die letzte aufgenommene Abbildung gebinnt (bis zu einem Faktor von 10). Das Binning summiert benachbarte Bildpunktwerte, um so ein schmaleres Abbildungsgitter zu ergeben. Während eines anfänglichen Testens werden alle aufgenommenen Abbildungen gebinnt um ungefähr ein 50 · 50 Gitter zur Analyse auszugeben. Wenn ein Binning-Faktor von eins verwendet wird, werden nur die zentralen 50 · 50 Pixel der CCD verwendet. Dies führt zu der höchsten Auflösung für kleine Abbildungen. Wenn ein Binning-Faktor von zehn verwendet wird, wird der gesamte aktive Bereich der CCD verwendet, aber mit einer geringeren Auflösung. Dies wird für größere, hoch-aberrierte Abbildungen verwendet. Fig. 10 zeigt das Ausmaß, bis zu dem die Abbildung des besten Fokus über eine typische PAL variieren kann. Das Binning wird eingestellt, um jeden Qualitätsverlust (das heißt Aliasing) in der MTF, die nachfolgend aus der PSF berechnet wird, zu vermeiden.
Die PAL wird dann zu dem nächsten Testpunkt bewegt, die Abbildung auf der CCD rezentriert und der Ablauf wiederholt. Zum Verfolgen/Zentrieren kann der gesamte 512 · 512 aktive Bereich der CCD (10 · gebinnt in jede Richtung) verwendet werden. Das Testen kann an jedem gewünschten Satz von Stellen über die PAL durchgeführt werden. Fig. 5 zeigt eine exemplarische Karte, die aus 103 Subaperturen besteht. Ein noch dichteres Abtasten wird bevorzugt in dem unteren Bereich der PAL verwendet, wo die Abbildungsqualität sich schneller ändert.
Für das anfängliche Testen wurde die gesamte Testsequenz durch ein Visual Basic®- Programm gesteuert, das mit dem Motorsteuerer und Erfassungssystem wechselwirkt. Die Vervollständigung eines Testdurchlaufs mit 103 Subaperturen dauert zur Zeit ungefähr zwei Stunden. Die resultierende Ausgabe besteht aus einer ASCII-Testdatei, die alle der Durchfokusdaten für jede Subapertur und eine PSF-Bilddatei für jede Subapertur enthält.

IX. DATENANALYSE UNTER VERWENDUNG DER EIQM

Wie zuvor erwähnt, wird die Stärke zu jeder Testsubapertur während des Testens berechnet und aufgezeichnet. Eine weitere Datenanalyse wird dann durchgeführt, um den Astigmatismus (Größe und Ausrichtung), das Prisma (Größe und Ausrichtung) und die MTF bei jeder Subapertur zu bestimmen. Die erhaltenen Daten können dann ausgedruckt werden, um eine Linsenkarte für eine leichte Interpretation zu erzeugen.
Für das anfängliche Testen wurden nur PALs mit nicht vorgeschriebenem Astigmatismus verwendet, um nur den unerwünschten Astigmatismus, der in den Linsen vorhanden ist, zu messen. Die Durchfokuslinienabbildungsausdehnungsdaten werden verwendet, um die Stelle, in Dioptrien, der beiden Linienabbildungen, die durch einen astigmatistischen Bereich der PAL gebildet werden, zu bestimmen. Diese Linienabbildungsausdehnung ist die Abbildungsausdehnung, eitler besten Anpassungslinie dividiert durch die Abbildungsausdehnung entlang dieser Linie. Dies ergibt einen Wert von Null für eine perfekte Linie und einen Wert von 1 für einen perfekten Kreis. Für Astigmatismusabbildungen ergibt ein Ausdruck dieser Linienabbildungsausdehnung als eine Funktion der Stärke eine Kurve mit zwei Minima, die an zwei astigmatistischen Linienfokussen (siehe Fig. 3) angeordnet sind. Die Dioptriendifferenz zwischen den Minimastellen gibt die Stärke des Astigmatismus an. Der Winkel der niederstärkigen Linienabbildung gibt den Winkel, oder die Achse des Astigmatismus an.
Die Stärke und Ausrichtung des lokalen Linsenprisma wird aus der Winkelposition der beiden Auslegerobjekttische bestimmt. Die Auslegerpositionen sind in Winkeln vorhanden und werden in Prismadioptrien zur Anzeige umgewandelt.
Als nächstes wird eine zweidimensionale Fourier-Transformation ausgeführt, auf jeder individuellen PSF, um die MTF dieser Subapertur zu ergeben. Die MTF wird berechnet, mit einer geeigneten Skalierung, als eine Funktion der Winkelfrequenz (zum Beispiel Perioden/mrad). Der Wert der MTF (normalisiert auf den beugungsbegrenzten Wert) bei einer Winkelfrequenz, die einem 20/20 Sehfeld (eine Bogenminute Linienausdehnung) entspricht, wird dann für jede Subapertur abgespeichert.
Von diesen numerischen Daten werden 2D und 3D Konturausdrücke oder Karten der Stärke, der Astigmatismusstärke, der Prismastärke und der normalisierten 20/20 MTF über die Oberfläche der PAL erzeugt (siehe Fig. 11-14). Vektordiagramme der Astigmatismusachse und Prismarichtung werden ebenfalls erzeugt (siehe Fig. 11C, 11E und 12C, 12E). Darüberhinaus können die numerischen Daten als eine Funktion der Subaperturstellen (siehe Fig. 14C) ausgedruckt werden.
Die Datenanalyse und der Ausdruck, die zuvor beschrieben wurden, wurden unter Verwendung von Mathematica 3.0.1® ausgeführt und benötigten ungefähr ¹/&sub2; Stunde pro Linse. Der Fachmann sollte jedoch realisieren, daß andere geeignete Programme verwendet werden können, um die notwendige Datenanalyse durchzuführen.

X. BEISPIELE VON LINSENKARTEN, DIE DURCH DIE EIQM ERZEUGT WURDEN

Eine breite Vielfalt von Linsen wurde mit der EIQM getestet. In diesem Abschnitt werden Beispiele der Ausgaben des Instrumentes angegeben. Die PALs, die für diesen Test verwendet wurden und als "Linse A" und "Linse B" benannt wurden, wurden von verschiedenen Anbietern erhalten, wobei beide Linsen derart ausgestaltet waren, daß sie eine 0 D Abstandskorrektur und eine +2 D Zusatzstärke bzw. Lesestärke hatten. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß Konturausdrücke normalerweise in Farbe erzeugt und ausgedruckt werden, für eine leichtere Interpretation, jedoch sind die Ausdrücke, die hier enthalten sind, in Schwarz- Weiß und daher schwerer zu lesen. Dennoch sind die allgemeinen Merkmale immer noch gut sichtbar.
Das Konturdiagramm in Fig. 12A zeigt die Stärke der besten Fokus der der Linse B über der Oberfläche. Man kann deutlich sehen, wie die Stärke von 0 D in dem oberen Fernbereich auf etwa über +2 D in dem Lese- oder Nahbereich unten links ändert. Die Stärkenkarte der Linse A ist ziemlich ähnlich (Fig. 11A). Wie zuvor festgestellt wurde, erzeugt dieser Übergang von einer niedrigen zu einer hohen Stärke große Mengen an Astigmatismus. Dies wird deutlich offensichtlich in den Astigmatismusstärkenkonturen, die in den Fig. 11B (Linse A) und 12B (Linse B) gezeigt sind. Man kann sehen, daß die Linse B einen breiteren Bereich von großem Astigmatismus und mehr Astigmatismus in dem Nahbereich aufweist. Die Astigmatismusvektordiagramme zeigen weiche, kontinuierliche Übergänge der Stärke und des Winkels zwischen dem oberen und unteren Bereich der Linsen (Fig. 11C und 12C).
Zusätzlich kann man den normalisierten 20/20 MTF Konturen, die in den Fig. 11D und 12D gezeigt sind, entnehmen, um wieviel gerade die Linse A besser arbeitet als Linse B. Für Linse A kann gesehen werden, daß die MTF hoch in dem Oberen Bereich der Linse und dem Zentrum des Nahberichs ist. Es nimmt etwas in dem "Kanal", der diese beiden Gebiete verbindet, ab und ist sehr niedrig in den "Flügeln" auf jeder Seite des Kanals. Für Linse B ist die Zone einer großen MTF in dem oberen Gebiet viel kleiner und nimmt nicht sehr viel in dem Nahbereich zu.
Zwei vollständige MTF-Diagramme für die Linse A sind in den Fig. 13A und 138 gezeigt, eins aus einem guten Bereich des Fernbereichs und eins aus einem Hochastigmatismusbereich. Es gibt eine Gesamtheit von vier Kurven in jedem Diagramm für Schnitte aus der 3- D MTF bei 0,90 und ±45 Grad. Die beugungsbegrenzte MTF für einen 5 mm Pupillendurchmesser bei 543 nm ist als die gestrichelte Linie gezeigt.
Zusätzliche Karten und Diagramme, die automatisch durch die EIQM erzeugt werden können, sind in den Fig. 14A und 14B gezeigt. Der Wert der EIQM wird ziemlich sichtbar aus den Karten und Diagrammen, die zuvor beschrieben wurden, da herausgefunden wurde, daß die Abbildungsqualität sich dramatisch von einer Linsengestaltung zu einer anderen verändert. Dies erlaubt es dem Linsengestalter, dem Linsenhersteller und/oder dem verschreibenden Arzt genau und objektiv die Qualität für jede gegebene Brillenglaslinse abzuschätzen. Solche Diagramme können für jede gemessene Qualität erzeugt werden.
Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, daß viele Veränderungen möglich sind, ohne daß erfinderische Konzept, das hier präsentiert und beschrieben wird, zu verlassen. Zum Beispiel kann das Zoomobjektiv modifiziert werden, um die meßbaren Stärken zu messen, obwohl die EIQM derart beschrieben wurde, daß es ihr möglich ist, Stärken im Bereich von -0,5 bis 2,8 D zu messen. Zusätzlich, obwohl die EIQM insbesondere geeignet zur Messung der Abbildungsqualität von PALs ist, kann sie zweifellos zur Messung der Abbildungsqualität jedes Typs von Brillenglaslinsen verwendet werden, solange die Stärke und der Astigmatismus der Linse innerhalb des Meßbereichs des Systems liegt. Es soll daher verstanden werden, daß innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann, als sie konkret beschrieben wird.

Claims

1. Automatisiertes optisches Testinstrument zur Messung der Abbildungsqualität einer Brillenglaslinse, wobei das Instrument umfaßt:

ein Beleuchtungssystem (12) zum Überbringen eines Teststrahles an die Linse;

ein Positionierungssystem (14) zur Rotation der Linse, so daß verschiedene Bereiche auf der Linse beleuchtet werden, um die Abbildungsqualität dieses Bereichs der Linse zu Messen;

ein Erfassungssystem (18) zur Aufzeichnung und Messung der Abbildungsqualität der Linse; und

ein Zoomobjektiv (16) zur Fokussierung des Strahles auf das Erfassungssystem.

2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zoomobjektiv den Strahl auf das Erfassungssystem bei einer konstanten effektiven Brennweite fokussiert, wenn der Strahl einmal durch die Linse hindurchgeht.

3. Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierungssystem die Linse um einen fixen Rotationspunkt hinter der Linse rotiert.

4. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daßdas Zoomobjektiv entlang einer optischen Achse des Systems in Bezug zu der Linse bewegbar ist.

5. Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zoomobjektiv eine erste und eine zweite Linse umfaßt, und wobei die zweite Linse entlang der optischen Achse bezüglich der ersten Linse bewegbar ist.

6. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungssystem in einem festgelegten Abstand von der Linse angeordnet ist.

7. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument zusätzlich einen Ausrichtungsausleger (20) umfaßt, wobei das Zoomobjektiv und das Erfassungssystem mit dem Ausrichtungsausleger verbunden sind.

8. Instrument nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausrichtungsausleger um die Linse rotiert, um den Teststrahl mit dem Erfassungssystem wieder auszurichten, wenn die Linse durch das Positionierungssystem rotiert wird.

9. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument ferner einen Mikroprozessor (22) zur Steuerung des Betriebs des Instruments umfaßt.

10. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungssystem Mittel zur automatischen Messung der Punktstreufunktion, die durch eine Stelle auf der Linse erzeugt wird, umfaßt.

11. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungssystem ferner Mittel zur automatischen Berechnung der Modulationsübertragungsfunktion einer Stelle auf der Linse umfaßt.

12. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungssystem Mittel zur automatischen Messung von Stärke, Astigmatismus, Prisma und Modulationsübertragungsfunktion an einer Stelle auf der Linse umfaßt.

13. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem eine Lichtquelle umfaßt.