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Verfahren und Vorrichtung zur berührungs-
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losen Vermessung von Kontaktlinsen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung von harten und weichen Kontaktlinsen,
insbesondere von weichen Kontaktlinsen, durch Bestimmung der Kontaktlinsentopographie.
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Die optimale Anpassung weicher und harter Kontaktlinsen an das menschliche
Auge erfordert sowohl die genaue Kenntnis der Cornea- als auch der Kontaktlinsentopographie,
damit diejenige Kontaktlinse mit der zur individuellen Corneakrümmung am besten
passenden Innenkurve ausgewählt werden kann.
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Außerdem muß der Verlauf der Außenkurve der Linse bekannt sein, um
die Brechkraft der Linse angeben zu können.
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Während Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Hornhautkrümmung
bereits beschrieben sind, gibt es noch keine
befriedigende Lösung
für eine entsprechend genaue Vermessung der Kontaktlinsenflächen. Übliche Vermessungsmethoden
wurden vor der Einführung der weichen Kontaktlinsen entwickelt; mittlerweile sind
jedoch mehr als die Hälfte der produzierten Linsen weiche Kontaktlinsen. Bei Anwendung
bekannter Verfahren auf weiche Kontaktlinsen resultieren Meßfehler, die größtenteils
darauf zurückzuführen sind, daß die Vermessung, z.B. der Pfeilhöhe und des Scheitelbrechwertes,
nicht an der in einer Aufbewahrungsflüssigkeit liegenden Linse vorgenommen werden
kann und die leicht verformbare Linse außerhalb der Aufbewahrungsflüssigkeit eine
exakte Vermessung nicht zuläßt. Die Messung der Linsenradien wird dagegen an der
in der Aufbewahrungsflüssigkeit liegenden Linse mit Ophtalmometer berührungslos
durchgeführt. Mit dieser Methode ist jedoch lediglich eine lokale Bestimmung der
Krümmungen von Front- und Basiskurve in ein oder zwei Meßpunkten möglich.
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Eine Vermessung über einen größeren Linsenabschnitt kann hierbei nicht
erfolgen; dies ist jedoch zur Erzielung eines guten Sitzes der ausgewählten Linse
auf dem Auge notwendig.
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Hinzu kommt, daß während bisher fast ausschließlich Linsen mit rein
sphärisch gekrümmten Basiskurven Verwendung fanden, die neueren Entwicklungen -
parallel zur fortschreitenden Technologie der Linsenherstellung - auch Linsen mit
asphärisch ausgeformten Innenkurven einschließen. Ferner werden bisher die einzelnen
Meßvorgänge an verschiedenen Plätzen und mit verschiedenen Apparaturen durchgeführt.
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Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 27 gekennzeichnet
ist, löst die Aufgabe, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Methoden die Vermessung
von Kontaktlinsen, insbesondere von weichen Kontaktlinsen, mit einer Meßgenauigkeit
entsprechend den geltenden DIN-Vorschriften zu
ermöglichen. Im
Hinblick auf die Anforderungen an ein praxisgerechtes Meßverfahren sollten sämtliche
Meßvorgänge berührungslos und zentral an einem einzigen Meßplatz bzw. mit einer
einzigen Apparatur durchführbar sein; bei der Krümmungsmessung sollte ferner die
Linse über den gesamten Durchmesser hinaus vermessen werden können. Das Verfahren
sollte gleichzeitig eine Überprüfung der Kontaktlinse auf Einhaltung der Linsenmaterialqualität
ermöglichen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfakren werden charakteristische Linsenkenngrößen
gemessen. Die Messungen werden in einer Aufnahmeeinrichtung für die Linse durchgeführt,
die in Form einer Meßküvette ausgebildet ist. Vorzugsweise liegt die Kontaktlinse
in einer Aufbewahrungsflüssigkeit entspannt auf dem Küvettenboden. Erfindungsgemäß
wird insbesondere die Außenkurve, d.h. die Frontkurve, sowie die radiale Dickenänderung
der Linse gemessen. Zur Ermittlung der Außenkurve wird die Küvette senkrecht zu
der optischen Achse der Linse, z.B. seitlich, durchstrahlt und das gewonnene Schattenbild
der Linse vorzugsweise vollautomatisch ausgewertet. Die Außenkurve kann aber z.B.
auch auf einem Sichtgerät visuell mit einer überlagerten Referenzkurve verglichen
werden.
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Die Messung der radialen Dickenänderung der Linse erfolgt interferometrisch
unter Durchstrahlung der Küvette in Richtung der optischen Achse der Linse. Durch
Addition der mit hoher räumlicher Auflösung gemessenen lokalen Dickenänderung zu
den korrespondierenden Bezugspunkten auf der Kontainsen-Außenkurve erhält man direkt
den Verlauf der Kontaktlinsen-Innenkurve, d.h. der Basiskurve. Nach Kenntnis der
Krümmungsverläufe von Außen- und Innenkurven und Bestimmung der Mittendicke der
Linse aus der durch Scharfeinstellung einer
Meßmarke ermittelten
Wegänderung, kann ein Schnittbild der Linse konstruiert und die Brechkraft bestimmt
werden. Das Interferogramm erlaubt ferner die Berechnung des Durchmessers der optischen
Zone der Linse und des Gesamtlinsendurchmessers. Außerdem ist anhand des gewonnenen
Interferogramms eine Aussage über eventuell vorhandene Materialfehler möglich. Dies
kann auch durch eine Beobachtungseinrichtung geschehen, die in den Meßaufbau integriert
ist und mit der sich eine schnelle visuelle Überprüfung der Linse auf Inhomogenitäten
des optischen Materials, Kratzer, Randbearbeitungsfehler, Knoten und ähnliche Fehler
durchführen läßt.
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Zur Sichtprüfung kommt vorzugsweise ein Fernsehsystem zum Einsatz.
Die dadurch gegebene Kombination Optik/Elektronik bietet vielfältige Möglichkeiten
zur Erkennbarkeit der o.a.
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Fehler, z.B. durch Dunkelfeldbeleuchtung, elektronische Filterung
und Kontrastverstärkung.
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Die durch die vorliegende Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen
darin zu sehen, daß sämtliche Linsenkenngrößen derart erfaßt werden können, daß
auch eine vollautomatische Durchführung des gesamten Meßablaufs möglich ist.
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Das Verfahren läßt sich sowohl auf weiche als auch auf harte Kontaktlinsen
anwenden. Da weiche Kontaktlinsen berührungslos in entspanntem Zustand vermessen
werden, sind Meßfehler, die aus der leichten Verformbarkeit resultieren, ausgeschlossen.
Ferner ist der Zeitbedarf zur Durchführung der Messungen äußerst gering.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus der folgenden Erläuterung Von Einzelheiten anhand der beigefügten Abbildungen
hervor.
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Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 den erfindungsgemäßen
Systemaufbau für ein optisches Interferometer mit einer geeigneten Optik zur Abbildung
des Schattenbildes der Linse und zugehörige Elektronik; Figur 2 eine geeignete Anordnung
zur Dickenmessung in Reflexion; Figur 3 eine Anordnung zur Dickenmessung in Transmission
und Figur 4 eine Meßküvette, in der die Vermessung durchgeführt werden kann.
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Gemäß Figur 1 wird zur Bestimmung der Außen kurve die entspannt in
einem Gefäß 1 in Flüssigkeit liegende Linse 2 von der Seite über Spiegel 3 und 4
entweder mit einem kollimierten Lichtbündel einer thermischen Lichtquelle oder einem
parallelen Laserlichtbündel aus Lichtquelle 5 beleuchtet und mit einer geeigneten
Abbildungsoptik über Spiegel 7 und 8 auf einem Empfänger 9, z.B. Image Disector
Röhre, Videoröhre, Diodenarray oder Film, abgebildet. Durch die Ablenkung des Beleuchtungsstrahls
an dem schwachen Brechungsindexsprung an der Grenzfläche Linse/Flüssigkeit erscheint
die Linse 2 bei Beobachtung des direkten Schattenbildes dunkel vor hellem Hintergrund.
Der Verlauf der Hell-Dunkel-Kante entspricht dem Abbild der Außenkontur der Linse
entlang des zur Richtung des beleuchtenden Lichtbündels senkrecht verlaufenden Linsenmeridians.
Die gebrochenen Strahlen führen zusätzlich zu einer leicht verkleinerten Abbildung
der Linse; diese erscheint bei richtiger Justierung der Anordnung innerhalb
des
dunklen Linsenbildes und stört die Vermessung der Außenkontur nicht. Bei geeigneter
Wahl des Abbildungsmaßstabes kann die Außenkontur mit einer Genauigkeit im /um-Bereich
vermessen werden. Um die Auflösung des Empfängers 9 sowie sein vorgegebenes Höhen-
bzw. Breitenverhältnis optimal auszunutzen, wird ein anamorphotisches Abbildungssystem
6 verwendet. Durch Einfügung einer zusätzlichen Blende kann die Linse auch in der
sogenannten Dunkelfeld-Anordnung als helle Kontur auf dunklem Hintergrund abgebildet
werden. Die Auswertung erfolgt visuell oder durch Vergleich mit vorgegebenen Sollkurven,
z.B. Masken oder elektronisch erzeugten Vergleichskurven auf einem Monitor 10. Die
aufgenommene Kurve kann auch digitalisiert und in einem Rechner 11 geprüft werden.
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Die Krümmung der Innenfläche wird erfindungsgemäß ermittelt, indem
man die Dickenänderungen der Linse vom Zentrum nach außen berünrungslos unter Anwendung
eines interferometrischen Verfahrens mißt und die Meßergebnisse mit der über die
Schattenwurfmethode bestimmten Außenkurve verrechnet. Die absolute Dicke der Linse
geht aus dieser Messung noch nicht hervor, ist aber auch für die Bestimmung des
Krümmungsverlaufs der Innenkurve nicht erforderlich. Zur Messung der Dickenänderung
wird ein Zweistrahl-Interferometer verwendet, das entweder in Iransmission oder
Reflexion arbeitet. Das Meßprinzip wird ebenfalls in Figur 1 gezeigt, und zwar am
Beispiel einer für eine Messung in Transmission geeigneten Mach-Z.ehnder-Anordnung
mit Meß- und Referenzstrahlengang, erzielt durch Strahlteiler 12 und 13 sowie Umlenkspiegel
14 und 15. Die zu vermessende Linse 2 liegt entspannt in der Meßküvette 1 mit Aufbewahrungslösung
mit bekanntem Brechungsindex nI im Meß-bzw. Objektstrahlengang. Sie wird von parallelem
Laserlicht
in Richtung ihrer optischen Achse durchstrahlt. Entsprechend
den durch die unterschiedliche Dicke der Kontaktlinse 2 im Objektstrahlengang eingeführten
optischen Wegdifferenzen ergibt sich bei Überlagerung mit der ungestörten Referenzwelle
ein z.B. ringförmiges Interferenzstreifensystem, aus dem die Dickenänderung der
Linse bestimmt werden kann.
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Bei der Messung der Kontaktlinsen-Dickenänderung in Reflexion durchstrahlt
ebenfalls ein paralleles Laserlichtbündel die mit Flüssigkeit gefüllte Küvette.
Die Information über die Dickenänderung im Meßobjekt wird in diesem Fall jedoch
dem Interferenzmuster entnommen, das durch Überlagerung der am Küvettenboden und
des an der Küvettenabdeckplatte reflektierten Anteils der eingestrahlten Lichtwelle
entsteht. Wegen des zweimaligen Linsendurchgangs des Strahls ist die Ringzahl und
die damit erreichbare Genauigkeit gegenüber der Transmissionsmethode in diesem Fall
verdoppelt.
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Die Verwendung eines kompakten Mach-Zehnder-Interferometers wird erfindungsgemäß
bevorzugt, da dieser Interferometertyp den Vorteil hat, daß im Referenzstrahlengang
leicht Kompensationseingriffe zur Meßbereichserweiterung vorgenommen werden können.
Z.B. bei Vorliegen einer nicnt mehr auswertbaren großen Anzahl von Interferenzstreifen
können die Referenzwelle und/oder die Objektwelle mit Hilfe eines optischen Elements
mit bekannten Daten, wie Linsen oder Varioobjektiven, die in Figur 1 in mit gestrichelten
Linien angedeuteten Referenzebenen anbringbar sind, so verändert bzw. der Meßbereich
so verschoben werden, daß im Interferogramm eine auswertbare Anzahl von Interferenzstreifen
vorliegt. Die Welle kann auch bis Streifenzahl 0 verändert und aus den bekannten
Daten des hierfür benutzten optischen Elements die Daten der
Linse
ermittelt werden. Sollte im Interferogramm keine genügende Anzahl von auswertbaren
Streifen vorhanden sein, so werden erfindungsgemäß durch Quadrierung des Wechselsignalanteils
der aus dem Interferogramm gewonnenen elektrischen Signale mittels Quadrierer 16
die Nulldurchgänge kenntlich gemacht und so die Zahl der auswertbaren Streifen verdoppelt
sowie die Ortsauflösung erhöht.
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Die zur Interferenz zu bringenden Lichtwellenfronten werden über eine
Optik 17 abgebildet und mit dem ortsauflösenden Detektorsystem 9, z.B. einer Fernsehkamera,
abgetastet. Der bewegliche Spiegel 8 wird dazu aus dem Strahlengang entfernt.
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Soll die Auswertung visuell vorgenommen werden, empfiehlt sich die
vergrößerte Darstellung der Strukturen auf dem Sichtgerät 10. Im Falle einer vollautomatischen
Auswertung werden die Bildinformationen, d.h. Interferogramm, Schattenbild und gegebenenfalls
normales Bild, von einem Speicher aufgenommen und einem Rechner 11 zugeführt. Der
Rechner 11 und das Bildaufnahmesystem 9 sind miteinander synchronisiert. Daher können
bei der visuellen Auswertung auf dem Sichtgerät 10 gleichzeitig sowohl die Istbilder
als auch die Sollbilder dargestellt und miteinander verglichen werden. Ober ein
Eingabegerät 18 können darüberhinaus am Monitor 10 manuell Meßpunkte ermittelt und
an den Rechner 11 übergeben werden. Diese Daten werden interaktiv vom Auswerteprogramm
berücksichtigt. Zur vollautomatischen Auswertung wird das analoge Signal des Bildaufnahmesystems
9 und 16 in einem schnellen Analog-Digital-Wandler digitalisiert und in einem zum
Rechner 11 gehörenden Speicher abgelegt, die interessierenden Meßgrößen programmgemäß
erarbeitet und über ein Datenausgabegerät 19 ausgegeben. Der Rechner 11 steuert
darüberhinaus sowohl die Blenden 20, 21, 22 und 23 als auch die optischen Elemente,
die gegebenenfalls in die Strahlengänge eingreifen.
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Die Strahlengänge zur Bestimmung der Außenkurve und Messung der Dickenänderung
zum Zwecke der Festlegung des Verlaufs der Innenkurve werden vorzugsweise in einem
gemeinsamen Aufbau unter Verwendung einer einzigen Laserlichtquelle 5 realisiert.
Sollten die Linsenkrümmungen längs mehrerer vorgegebener Meridianschritte erfolgen,
z.B. im Fall torischer Linsenkrümmung längs der beiden Hauptschnitte, so wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, die Küvette mit drehbarem Boden auszurüsten und eine Hilfsvorrichtung
zum Zentrieren der eingebrachten Kontaktlinse innerhalb dieser Küvette vorzusehen.
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Die Krümmungsmessungen entlang der interessierenden Meridianschritte
können dann nacheinander bicht ausgeführt werden.
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Die Auswertung der Interferogramme basiert auf folgenden theoretischen
Grundlagen: Induziert man in der einen Welle definierte optische Weglängenunterschiede,
z.B. durch Einbringen der Kontaktlinse, so zeigen sich diese Wegunterschiede im
überlagerten Strahl als Intensitätsmodulation, im Falle der Kontaktlinse zeigt sich
ein geschlossenes Ringsystem. Dabei gilt ty = An di Hierbei ist ty die erzeugte
Phasendifferenz, wobei einer Phasendifferenz von >/2 ein Wechsel von hell auf
dunkel entspricht. An ist der Brechungsindexunterschied von Kontaktlinse und umgebendem
Medium; di ist der Dickenzuwachs der Kontaktlinse am Ort i in Bezug auf die Mittendicke.
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Verwendet man einen Argon-Ionenlaser der Wellenlänge ß = 0,514 /um
als Lichtquelle und beträgt der Brechungsindex
der Kontaktlinse
n1 = 1,41 und der Brechungsindex der sie umgebenden Flüssignkeit n2 = 1,33, so ergibt
sich im Fall der Messung in Transmission für die Dickenänderung A d der Linse vom
i-ten Ring zum (i+1)-ten Ring folgender Ausdruck #d = di+1 - di #/n1 - n2 = 0,514/0,08
= 6,42 µm.
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Wird dagegen die interferometrische Anordnung so getroffen daß in
Reflexion gemessen werden kann, so verdoppelt sich die Ringzanl, da der Meßstrahl
in diesem Fall die Probe zweimal durchsetzt und es gilt 0,514 Ad = 2(n1 - n2) 0'16
= 3,21 /um Durch die Interpolation zwischen den Ringen bzw. Auswertung des genauen
Verlaufs der Intensitätsmodulation kann die Genauigkeit auf ein Vielfaches der o.g.
Werte gesteigert werden.
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Durch Auswertung des Schattenwurf-Bildes und des Interferogramms der
Linse lassen sich präzise Aussagen treffen bezüglich der Krümmungen von Kontaktlinsenaußen-
und Kontaktlinseninnenkurve. Außerdem kann daraus bereits die Brechkraft der Linse
experimentell ermittelt werden, und zwar aus der Anzahl der Interferenzstreifen
bezogen auf deren Abstand von der Kontaktlinsenmitte. Bei bekannter Lichtwellenlänge
h Brechungsindex nKL der Kontaklinse und des Immersionsmediums nI, Durchmesser der
optischen Zone Xopt und Anzahl der Interferenzstreifen n läßt sich die Brechkraft
BK der Linse nach der Formel
bestimmen.
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Aus dem Interferogramm sind Aussagen über bestimmte Materialfenlertypen
möglich. Für eine weitergehende Materialqualitätsprüfung wird in der in Figur 1
dargestellten Anordnung ein normales Bild, Phasenkontrast- bzw. Dunkelfeldbild der
Linse 2 erzeugt. Hierfür werden die Blenden 20, 22 und 23 geschlossen, die Blende
21 geöffnet. Die Linse 2 wird in Richtung der optischen Achse mit der von einer
weißen Lichtquelle 24 ausgehenden Strahlung durchstrahlt. In der Bildebene 25 der
Lichtquelle 24 werden durch Schneiden, Lichtstops und dergleichen die Eingriffe
zur Erzeugung des Dunkelfeld- bzw. Phasenkontrastbildes der Linse vorgenommen.
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Ist man an einem Schnittbild der Linse interessiert, entweder um z.B.
daraus die Innenpfeilhöhe der Linse zu bestimmen oder die Brechkraft aus der Formgebung
zu berechnen, so muß dafür zusätzlich noch die Dicke der Linse an einer einzigen
Stelle gemessen werden. Als berührungslose Dickenmeßmethoden bleiben unter Berücksichtigung
der durch den Anwendungsfall gegebenen Randbedingungen, wie Meßgenauigkeit, Messung
der Kontaktlinse in der Aufbewahrungsflüssigkeit und Integrierbarkeit in das Gesamtmeßkonzept
nur optische Verfahren übrig, und zwar prinzipiell nur die Dickenmessung in Transmission
oder in Reflexion.
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Zur Dickenmessung in Transmission wird ein in Figur 2 dargesteller
Aufbau vorgeschlagen. Hierbei wird eine Meßmarke in einer vorher festgeigten Bildebene
27 scharf abgebildet.
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Bringt man nun die Kontaktlinse 2 nahe dieser Meßmarke in den Strahlengang
ein, so verlängert sich der optische Weg um das Produkt aus Kontaktlinsendicke und
Brechzahldifferenz zwischen Aufbewahrungsflüssigkeit und Kontaktlinsenmaterial Das
dadurch unscharf gewordene Bild der Meßmarke wird nachfokussiert. Die zu dieser
Fokussierung notwendige Verschiebung
der abbildenden Linse ist
proportional zur Kontaktlinsendicke.
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Bei der technischen Ausführungsform muß darauf geachtet werden, daß
man gemessen am Gesamtdurchmesser der Kontaktlinse nur kleine Objektfelder benutzt.
Diese Randbedingung gilt auch für die Dickenmessung in Reflexion.
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Zur Dickenmessung in Reflexion wird die in Figur 3 dargestellte Anordnung
vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird eine Meßmarke 26 mit einem festen Abbildungsmaßstab
in eine feste Ebene 28 abgebildet. Befindet sich dort eine reflektierende Fläche,
so wird diese Meßmarke durch die gleiche Optik, bestehend z.B. aus Linse 29, Strahlteiler
30 und Reflektor 31, rückwärts in eine ebenfalls fest vorgegebene Bildebene 32 abgebildet.
Fällt die Bildebene 28 nicht mit der Keflexionsfläche zusammen, so erhält man in
der Bildebene 32 nur ein mehr oder weniger unscharfes Bild. Damit läuft ein Meßvorgang
nach dem folgenden Prinzip ab: Man bewegt die gesamte Meßoptik auf die Kontaktlinse
2 zu, bis man jeweils durch Reflexion des eingespiegelten Testmarkenbildes nacheinander
an Außen- und Innenfläche der Linse ein scharfes Bild der Meßmarke 26 in der Bildebene
32 erhält.
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Die Differenz der beiden zugehörigen Positionen der Meßoptik ist proportional
zur Kontaktlinsendicke. Der wirksame optische Wegunterschied entspricht hierbei
dem doppelten Produkt, gebildet aus geometrischer Kontaktlinsendicke und Brechungsindex
des Kontaktlinsenmaterials. Da der Brechungsindex der Kontaktlinse sehr genau bekannt
ist, läßt sich die lokale Dicke der Kontaktlinse an der fraglichen Stelle leicht
aus der genannten Beziehung errechnen.
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In Figur 4 wird schematisch eine Seitenansicht der Meßküvette 1 zusammen
mit einem Längsschnitt gezeigt. Die wesentlichen Bauteile einer solchen Meßküvette
sind die interfero-
metrisch parallelen Platten 33 und 34 aus optischem
Glas.
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Die Linse wird auf die untere Platte 33 gelegt und mittels Zangen
35 zentriert. Dies erfolgt durch die Zangenbedienung 36 in Verbindung mit einer
geeigneten Zangenführung 37 und Welle 38. Der Deckel 39 zusammen mit der oberen
Platte 34 ist vorzugsweise abnehmbar, insbesondere zur Einbringung der zu vermessenden
Linse. Dabei muß gewährleistet sein, daß die beiden Platten 33 und 34 reproduzierbar
gegeneinander gelagert sind. Eine solche Aufstellung wird z.B. erreicht bei genauer
Lagerung des Deckels 39 durch die kinematische Anordnung von 6 Kontaktpunkten. Die
Küvette ist ferner zur Durchstrahlung in horizontaler Richtung mit zwei gegenüberliegenden
Fenstern 40 und 41 versehen. Der untere Teil 42 der Küvette ist drehbar gelagert,
um eine Wiederholung der Messungen an anderen Meridianen zu ermöglichen.
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L e e r s e i te