DE2934263A1 - Digitaler scheitelbrechwertmesser - Google Patents

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

Digitaler Scheitelbrechwertmesser

1 P 860 1 G 1016

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen digitalen Scheitelbrechwertmessung .

Ium Stand der Technik gehören analoge Scheitelbrechwertmeßverfahren, bei ienen die Brechkraft von Brillen!insen meist halbautomatisch durch Bedienungs jersonal gemessen wird. Zu deren Aufgabe gehört unter anderem das Zentrieren ler Brillengläser und die Meßwertablesung. Liegen die Meßwerte außerhalb vorjegebener Toleranzen, so wird das betreffende Glas durch die Bedienperson assortiert.

ius der DE-PS 11 25 680 ist eine Meßeinrichtung bekannt» mit der auch Schei- ;elbrechwerte gemessen werden können. Bei dem mit dieser Meßeinrichtung urchzuführenden Verfahren wird das zu prüfende Glas in den parallelen Strahengang eines optischen Systems gebracht und die Verschiebung der Bildebene η Richtung der optischen Achse, aus der sich die Scheitel brechtwerte berechen lassen, gemessen. Ein in dieser Ebene angeordneter Detektor wird laufend uf die Bildebene nachgeführt. Seine Signale dienen zur automatischen Zenrierung des Prüflings.

ies Verfahren arbeitet mit Wechsellicht und benötigt zusätzlich zu den Anrieben für die Zentrierbewegung eine exakt arbeitende Nachlaufsteuerung, die en Detektor in der Bildebene hält. Die Vermessung torischer Gläser erfordert as Einfahren des Detektors in zwei Brennebenen während der Drehung des Prüfings. Somit erfordert das Verfahren einen hohen aperativen und zeitlichen jfwand.

> ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Scheitel-•echwertmessung zu schaffen, das mit geringem Aufwand eine schnelle und ob- »ktive Bestimmung der Meßwerte mit hoher Genauigkeit erlaubt.

iese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs dadurch »löst, daß das zu messende Brillenglas mit einem monochromatischen Parallel- :rahlenbündel durchstrahl wird, daß das durch das Brillenglas hindurchtresnde Lichtbündel durch eine Blende in unmittelbarer Nähe des BH11 eng!as- :heitesl begrenzt und auf mindestens eine selbstabtastende Diodenzeile gechtet wird und daß die von der Diodenzeile erzeugten Signale zur Gewinnung !S digitalen Meßwertes verwendet werden.

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Bei diesem Verfahren werden also digital und damit einfach verarbeitbar die Dimensionen einer Lichtwurffigur gemessen, aus deren Größe bei bekannter Geometrie der Anordnung die Scheitel brechwerte eindeutig berechnet werden können. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit wenigen, handelsüblichen Baugruppen ein automatisch ablaufendes Verfahren zur Scheitelbrechwertmessung durchgeführt werden kann. Insbesondere entfällt das Fokussieren der Bildebene auf den Detektor, da die im Scheitel des Prüflings lokalisierte Blende in Verbindung mit der gegen Null gehenden Apertur des Laserstrahl bündels eine gegen Unendlich gehende Schärfentiefe der Lichtwurffigur bedingt. Die hohe Empfindlichkeit der verwendeten Diodenzeile erlaubt eine schnelle Meßwertbildung auch bei kleinen Ausgangsleistungen der monochromatischen Strahlungsquelle.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren mit zwei gekreuzt angeordneten Diodenzeilen durchgeführt, deren Verwendung auf einfache Weise eine automatische Zentrierung des Prüflings nach beiden Richtungen und die gleichzeitige Ermittlung der Brechwerte in den Hauptschnitten bei torischen Gläsern erlaubt.

Durch das Vorsehen einer Drehbewegung zwischen Brillenglas und den Diodenzeilen ergibt sich zusätzlich der Vorteil, die Gläser nicht nach ihren Hauptschnitten (azimutal) orientiert einlegen zu müssen, da die Hauptachsen der Lichtwurf figur zweimal pro Durchlauf mit den Diodenzeilen zusammenfallen. Die Scheitel brechtwerte ergeben sich also als die Extremwerte der dreh!agenabhängigen Meßwerte.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender digitaler Scheitelbrechwertmesser ist dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser verwendet ist, daß hinter diesem ein Strahl aufweiter angeordnet ist, der ein Parallel strahl bündel erzeugt, daß das zu messende Brillenglas in seinem augenseitigen Scheitel auf einer Kreisringblende im Parallel strahlengang angeordnet ist. und daß im Weg des durch das Brillenglas tretenden-Lichtes ein Teilerwürfel angeordnet ist, hinter dessen Lichtaustrittsflächen je eine Diodenzeile angeordnet ist. . .

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Der Laser liefert ein monochromatisch paralleles Strahlenbündel, das mit einfachen Aufweitungsoptiken an die Dimensionen des Prüflings bzw. der Diodenzeilen angepaßt ist. Da Beugungserscheinungen an Spalten symmetrisch sind, sind die Abstände der Schwerpunkte der Lichtverteilung in der Projektion des hier verwendeten Ringspaltes auf die Diodenzeilen beugungs- und damit intensitätsunabhängig. Mit dem Teilerwürfel wird eine kreuzförmige Anordnung der Diodenzeilen erreicht, ohne daß diese in der gleichen Ebene liegen müssen.

/orteilhaft ist es, den Teilerwürfel und die Diodenzeilen zueinander feststehend als Ganzes um die optische Achse drehbar anzuordnen und den Prüfling luf einem in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren [reuztisch zu befestigen, der z.B. motorisch durch Zentriersignale gesteuert rird, die von den Diodenzeilen abgeleitet werden. Diese Zentriersignale ;önnen auf verschiedene Weise aus den Unsymmetrier. der die Lichtwurffigur erkörpernden Hell-Dunkel-Signalen der Diodenzeilen gewonnen werden.

eiterhin empfiehlt es sich, eine Möglichkeit zur Anzeige von Bereichsüberchreitungen, die zu falschen Meßergebni.ssen führen wurden, vorzusehen. Beipielsweise kann über eine geeignete Schaltung der äußersten Dioden der eilen eine Meßbereichsüberschreitung in Richtung zu großer negativer Dioprien des Prüflings erkannt werden.

is Erkennen von Meßbereichsübsrschreitungen nach positiven Dioptrien hin kann indeutig auf folgende Weiss erfolgen: Auf einer Lichtaustrittsseite des Tei- »rwyrfels wird eine Zusatzlinse ira Strahlengang angeordnet. Die dadruch beInge konstante Ungleichheit der Lichtwurf figur bezüglich der beiden Dioden-' iilen wird durch elektronische Schaltungen im Signalzweig einer der beiden Odenzeilen beseitigt. Bei Meßbereichsüberschreitungen und dadurch beding- T Umkrehtung der Lage des Brennpunkts des Strahlenbündels relativ zur Ebene'· r Diodenzeilen addieren sich nun die optisch und elektronisch erzeugten gleich.heiten statt sich zu kompensieren und erzeugen ein Signal, das zur Anige der Bereichsüberschreitung nach positiven Dioptrien dient.

es Signal kann auch dazu benutzt werden, optische Zusatzsysteme in den rahlengang zwischen Prüfling und Teilerwürfel einzuschwenken, mit denen ne Änderung des Meßbereichs erzielt wird.

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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, einen Prismenkompensator vorzusehen, mit dem prismatische Wirkungen des Prüflings, die eine drehlagenunabhängige Zentrierung verhindern, ausgeschaltet werden können. Dies kann durch zwei gegensinnig um die optische Achse drehbare Keile geschehen, mit denen die prismatische Wirkung des Prüflings nicht nur kompensiert sondern auch gemessen wird.

Die nachstehenden Zeichnungen erläutern Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Erfindung:

Fig. 1 skizziert das Blockschaltbild eines automatischen Scheitelbrechwertmessers;

Fig. 2 A-e zeigt die verschiedenen Lagen der Lichtwurffigur auf den Diodenzeilen entsprechend den einzelnen Stadien der Zentrierung des Prüflings.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel liefert ein Laser 1 das monochromatische Licht zur Durchstrahlung des Prüflings 7. Der Laserstrahl wird am Prisma 2 reflektiert und tritt danach in eine Aufweitungsoptik 3 ein, in der sein Durchmesser so verändert wird, daß eine gleichmäßige Ausleuchtung der Blende 8 erfolgen kann.

Nach der Reflexion am Spiegel 4 durchläuft das Strahlenbündel den Prismenkompensator 5. Dieser besteht aus zwei gegeneinander um die optische Achse verdrehbaren Keilen, deren prismatische Wirkung sich also von Null bis zur doppelten Wirkung eines Keils kontinuierlich verändern läßt.

Danach trifft das parallele Strahlenbündel auf den Prüfling 7, der von einer Aufnahme 9 getragen wird, die auf einem in zwei Richtungen (X,Y) senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren Kreuztisch 6 befestigt ist. Im augenseitigen Scheitel des Prüflings 7 befindet sich eine Kreisringblende 8, die entsprechend der sammelnden oder zerstreuenden Wirkung des Prüflings verkleinert oder vergrößert in die die Photodiodenzeilen 13 und 14 enthaltende Ebene projiziert wird.

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Im Strahlengang zwischen Blende 8 und den Diodenzeilen 13, 14 befindet sich ein Strahlteiler 11, der eine Verdoppelung der Ebene vornimmt, in der die Diodenzeilen anzuordnen sind.

Auf eine der Austittsflächen des Strahlteilers 11 ist eine Linse 12 aufgekittet, die eine konstante Ungleichheit der Lichtwurffigur bezüglich beider Diodenzeilen herbeiführt. Diese Ungleichheit wird dazu benutzt, um Meßbereichsüberschreitungen nach positiven Dioptrien hin zu erkennen.

Ein Rechner 16 verarbeitet laufend die Informationen über die Lage der vier Schwerpunkte der Lichtverteilung auf den Diodenzeilen und berechnet nach durchgeführter Prismenkompensation, Meßbereichswahl und Zentrierung nach X, Y und die Scheitel brechwerte aus den Abständen dieser Schwerpunkte auf den entsprechenden Diodenzeilen. Die Brechwerte werden in einer Anzeigeeinheit 17 sichtbar gemacht und mit vorgegebenen Werten verglichen. Bei Abweichungen außerhalb der Toleranzbreite wird ein Signal 18 erzeugt, das nach weiterer Verarbeitung zur Aussortierung des Prüflings 7 dienen kann.

Im folgenden wird der Vorgang der Zentrierung und Meßwertgewinnung näher erläutert:

^Jach dem Auflegen des Prüflings 7 auf die Aufnahme 9 und Durchstrahlung mit -icht des Lasers 1 entsteht in der Ebene der Diodenzeilen 13, 14 bei korrekter Wahl der Meßbereiche die in Figur 2a dargestellte Lichtwurffigur [Ellipse), deren Hauptachsen gegenüber dem Diodenkreuz eine willkürliche Lage »innehmen. Aus der Differenz zwischen der Länge der Hauptachsen und dem )urchmesser der Kreisringblende werden zwei den Scheitel brechtwerten propornonale Größen gewonnen. Dazu müssen die Hauptachsen der Lichtwurffigur mit lern Diodenkreuz zur Deckung gebracht werden. Dies geschieht durch Logikichaltungen, die die unsymmetrische Lage der Schnittpunkte der Lichtwurffigur lit dem Diodenkreuz erkennen und einen Motor ansteuern, der den Kreuztisch 6, uf dem sich die Aufnahme 9 für den Prüfling 7 befindet, so verschiebt, daß ie Symmetriebedingung erfüllt wird, d.h. daß der Mittelpunkt der Lichtwurfigur mit dem Kreuzungspunkt der Diodenzeilen zusammenfällt (Figur 2c). Der leiche Effekt wird erzielt, wenn statt auf die Symmetriebedingung auf maxialen Abstand der Schnittpunkt der Lichtwurffigur mit den betreffenden Achsen bgeglichen wird.

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Wenn die Prüflinge nicht nach ihren Hauptschnitten orientiert eingelegt worden sind, schließt sich nach dem Zentrieren in der zur optischen Achse senkrechten Ebene (X, Y) eine Drehbewegung des den Strahl teil er 11 und die Diodenzeilen 13, 14 enthaltenden Teils 10 an. Die Stellung, in denen die Hauptachsen mit dem Diodenkreuz zusammenfallen, werden aus der dann eintretenden maximalen Differenz in den Entfernungen der Schnittpunkte der Lichtwurffigur mit den einzelnen Diodenzeilen erkannt. Die diesen in Figur 2d und e skizzier-'ten Stellungen entsprechenden Meßwerte a, 'a bzw. b, b' unterscheiden sich durch eine konstante durch die Linse 12 bewirkte Differenz. Eine Schaltung im Rechner 16 erkennt aus dem Vorzeichen der Differenz, ob eine Bildumkehr d.h. eine Meßbereichsüberschreitung nach zu hohen Brechwerten hin vorliegt.

Das Signal "Meßbereichsüberschreitung" wird dazu benutzt, um Zusatzoptiken in den Strahlengang zwischen Prüfling 7 und Strahl teil er 11 einzuschwenken, mit denen eine Meßbereichserweiterung oder Meßbereichsverschiebung bewirkt wird.

Besitzt der Prüfling 7 prismatische Wirkung, dann ist es nicht möglich, ihn wie in Figur 2b und χ skizziert mit Hilfe des Kreuztisches 6 in X und Y zu zentrieren. In diesem Falle muß der Prismenkompensator 5 benutzt werden, um die unsymmetrische Lage der Lichtwurffigur zu korrigieren. Die Stellungen der Keile des Kompensators 5 werden dem Rechner nach erfolgtem Ablgiech zurückgemeldet und nach entsprechender Umformung der Anzeigeeinheit 17 zugeführt.

Für das erfingungsgemäSe Verfahren zur automatischen digitalen Messung von Scheitel brechwerten benötigt man nicht in jedem Falle zwei gekreuzt angeordnete Diodenzeilen, um das Bild der Lichtwurffigur auszumessen. Bei etwas höherem Aufwand an Meßzeit und Auswerteelektronik ist das Zentrieren und Vermessen der Lichtwurffigur auch mit nur einer Diodenzeile möglich. Nimmt man an, daß in Figur 2 die Diodenzeile 14 fehlt, dann liefe das Zentrieren der Ellipse der Figur 2a folgendermaßen ab: Zuerst wird der Kreuztisch 6, auf dem der Prüfling befestigt ist so bewegt, daß die Lichtwurffigur senkrecht zur Richtung der Diodenzeile 13 diese überstreicht. Ist die Entfernung der Schwerpunkte der beleuchteten Diodengruppen maximal, wird der erste Bewegungsablauf gestoppt und durch eine zweite Bewegung in Richtung der Diodenzeile 13

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ine symmetrische Beleuchtung herbeigeführt. Anschließend können die Hauptchsen der Lichtwurffigur durch Drehung der Diodenzeile oder des Prüflings τι die optische Achse nacheinander ausgemessen werden.

tatt einer Drehbewegung des Detektors oder des Prüflings kann auch ein im trahlengang zwischen Prüfling um die optische Achse drehbar angeordnetes ilddrehendes Prisma verwendet werden. Dieses kann z.B. dauernd - auch während ?s Zentriervorganges - mit konstanter Geschwindigkeit umlaufen. Die resulerenden Wechsel Spannungssignale der Diodenzeile können dann zur Bereichs- :hl, Justierung und Meßwertberechnung herangezogen werden.

att der Drehbewegung nach erfolgter Zentrierung des Prüflings 7 und anhließender Ausmessung der Hauptachsen der Lichtwurffigur kann auch ein ohne ehung arbeitendes Meßverfahren benutzt werden. Dabei wird die Lichtwurfgur durch eine Linearbewegung der Zeile 13 oder des Prüflings senkrecht r optischen Achse und zur Zeilenrichtung über die Diodenzeie 13 bewegt.

»se Bewegung kann so auf den Auslesetakt der Diodenzeile abgestimmt werden, } eine genügende Anzahl von Meßwerten in den Rechner 16 übernommen werden, i die Form der Lichtwurffigur mit ausreichender Auflösung bestimmen. Aus ι Wertepaaren für die parallelten Schnitte durch die Lichtwurffigur be- :hnet der Rechner 16 die Winkellage und Länge der Hauptachsen.

Verfahren erfordert einen etwas höheren Aufwand ans Auswerte- und Speicherktronik als die vorher beschriebenen, bei denen die Messung in den Hauptsen der Lichtwurffigur erfolgt.

der Dimensionierung des Gerätes kann der Durchmesser der Ringblende so ählt werden, daß sie - d.h. ihr Lichtwurfbild -ohne Beeinflussung durch Prüfling (Null Dioptrien) eine halbe Diodenzeilenlänge beträgt. Es ergibt ι dann ein für positive und negative Dioptrien gleichgroßer eindeutiger gereich. Will man damit einen Bereich von etwa 25 Dioptrien abdecken, dann ilt man bei Verwendung handelsüblicher Diodenzeilen (512 Dioden) eine Ge- »auflösung von 0,1 Dioptrie, ein für die meisten Anwendungen ausreichender

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Wert. Eine höhere Auflösung läßt sich durch längere Diodenzeilen mit z. B. 1024 Elementen oder durch eine Unterteilung des Meßbereiches in kleinere Einzelbereiche, deren Wechsel durch Einschwenken von Zusatzoptik in den Strahlengang bewerkstelligt wird, erreichen.

Wählt man Blendendurchmesser gleich Detektorzeilenlänge und ordnet direkt hinter der Blende 8 eine Sammellinse an, deren Brennpunkt mit dem Kreuzungspunkt der Diodenzeilen 13, 14 zusammenfällt, ergibt sich bei gleicher Auflösung von 0,1 Dioptrie ein verdoppelter Meßbereich von etwa 50 Dioptrien. Die Information über das Vorzeichen der Brechkraft des Prüflings 7 kann dabei durch eine der vorstehend beschriebenen Anordnung einer Zusatzlinse 12 für die Diodenzei.le 14 zur Anzeige der Bereichsüberschreitung äquivalente Anordnung erkannt werden.

Werden mit dem erfinungsgemäßen Verfahren Prüflinge aus unterschiedlichem Glasmaterial gemessen, dann ist eventuell der Fehler zur berücksichtigen, der durch die unterschiedliche Dispersion der Gläser in Verbindung mit der Ablage der Wellenlänge des Lasers vom Schwerpunkt der spektralen Augenempfindlichkeit verursacht wird.

Ist die Dispersion des Materials jeweils bekannt, kann sie nach Eingabe in den Rechner von diesem zur Korrektur der Meßwerte herangezogen werden.

Es ist aber auch möglich, einen Laser zu verwenden, der auf den Schwerpunkt der spektralen Augenempfindlichkeit abgestimmt ist.

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Verfahren zur automatischen, digitalen Messung der Scheite!brechwerte in den Hauptschnitten torischer Brillengläser, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Brillenglas (7) mit einem monochromatischen Parallelstrahlenbündel durchstrahlt wird, daß das durch das Brillenglas hindurchtretende Lichtbündel durch eine Blende (8) in unmittelbarer Nähe des Brillenglasscheitels begrenzt und auf mindestens eine selbstabtastende Diodenzeile (13,14) gerichtet wird, und daß die von der Diodenzeile (13,14) erzeugten Signale zur Gewinnung des digitalen Meßwertes verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das zu messende Brillenglas (7) tretende Lichtbündel durch einen physikalischen Strahlenteiler (11) in zwei Teil Strahlengänge aufgeteilt wird, und daß die beiden Teillichtbündel auf je eine Diodenzeile (13,14) fallen, die zusammen ein Achsenkreuz bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehbewegung zwischen Brillenglas (7) und Diodenzeile (13,14) um die optische Achse durchgeführt wird.

4. Digitaler Scheitelbrechwertmesser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser (1) verwendet ist, daß hinter diesem ein Strahl aufweiter (3) angeordnet ist, der ein Parallel strahl bündel erzeugt, daß das zu messende Brillenglas (7) in seinem augenseitigen Scheitel auf einer Kreisringblende (8) im Parallel strahlengang angeordnet ist, und daß im Weg des durch das Brillenglas (7) tretende Lichtes ein Teilerwürfel (11) angeordnet ist, hinter dessen Lichtaustrittsflächen je eine Diodenzeile (13,14) angeordnet ist.

5. Digitaler Scheitelbrechwertmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerwürfel (11) zusammen mit den Diodenzeilen (13,14) um die Achse des eintretenden Lichtes drehbar ist.

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6. Digitaler Scheitelbrechwertmesser nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Lichtaustrittsfläche des Teilerwiirfels (11) eine Zusatzlinse (12) angeordnet ist.

7. Digitaler Scheitelbrechwertmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Parallel strahl bündeis vor dem Brillenglas (7) ein Prismenkompensator (5) angeordnet ist.

8. Digitaler Scheite!brechwertmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brillenglas (7) und Teilerwürfel (11) optische Abbildungssysteme (15) zur Meßbereichsvorwahl austauschbar angeordnet sind.

d. Digitaler Scheitelbrechwertmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brill eng!asaufnähme (9) auf einem X-Y-Kreuztisch (6) angeordnet ist.

ι. Digitaler Scheitelbrechwertmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuztisch motorisch, in Abhängigkeit vom Zentriersignal der Diodenzeilen (13,14) verstellbar ist.

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