Free-Form technologie výroby brýlových čoček

MASARYKOVA UNIVERZITA LÉKAŘSKÁ FAKULTA Free-Form technologie výroby brýlových čoček Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Mgr. Petr Veselý Autor práce: Aneta Štrofová Studijní obor: Optometrie Brno duben 2011

Anotace Cílem této bakalářské práce je shrnutí a přehled free-form technologie výroby brýlových čoček. Na začátku práce je popsán historický vývoj, materiály používané k výrobě brýlových čoček a jejich vlastnosti. Při pojednávání této tematiky je nutno se zmínit o různých technologických způsobech výroby brýlových čoček. Hlavní část práce popisuje rozdělení výrobní technologie, její význam a využití. Zmíněny jsou i stroje sloužící k výrobě čoček pomocí free-form technologie a její kontrolní zařízení. Klíčová slova Free-form brýlová čočka progresivní obrábění broušení leštění materiál stroj software Annotation The aim of this bachelor thesis is to make a summary and overview of free-form spectacle lens technology. At the beginning of the work is described historical development is of spectacle lenses, materials and its properties, which are used to their manufacturing. By going through this topic, we should mention various technological types of spectacle lens manufacturing. The main part of this work deals with manufacture technology dividing, its importance and usage. The free-form machines for spectacle lens producing and their control devices are also mentioned.. Keywords: Free-form - spectacle lenses - progressive - machining - grinding - polishing - material - machine - software

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma free-form technologie výroby brýlových čoček vypracovala samostatně a že jsem ke studiu použila jen těch pramenů, které uvádím v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Lékařské fakulty Masarykovy univerzity a byla zpřístupněna ke studijním účelům. V Brně dne 20. 4. 2011... Aneta Štrofová

Poděkování Tímto bych chtěla poděkovat Mgr. Petru Veselému za doporučení studijní literatury, cenné rady a připomínky při vypracování bakalářské práce.

Bibliografická citace Štrofová, Aneta. Free-Form technologie výroby brýlových čoček. Lékařská fakulta, Masarykova univerzita. Vedoucí bakalářské práce Mgr. Petr Veselý.

0. Obsah 1. Úvod... 8 2. Historie brýlových čoček... 9 3. Obecné vlastnosti brýlových čoček... 12 3.1. Index lomu... 12 3.2. Abbeovo číslo... 12 3.3. Měrná hmotnost (hustota)... 12 4. Materiály na výrobu brýlových čoček... 13 4.1. Skleněné brýlové čočky... 13 4.2. Plastové materiály... 14 4.3. Porovnání materiálů... 15 5. Technologie výroby brýlových čoček... 16 5.1. Tvorba skleněných výlisků... 16 5.2. Technologie výroby plastových výlisků... 16 5.2.1. Lisování... 16 5.2.2. Vstřikování... 16 5.2.3. Odlévání... 17 5.3. Výrobní operace... 17 5.3.1. Frézování... 17 5.3.2. Broušení... 17 5.3.3. Leštění... 18 5.4. Čočky se specifickou technologií výroby... 18 5.4.1. Tórické čočky... 18 5.4.2. Bifokální a trifokální čočky... 19 5.4.3. Multifokální brýlové čočky... 20 5.5. Principy výroby brýlových čoček... 20 6. Free-Form technologie výroby brýlových čoček... 21 6.1. Free-Form design... 23 6.2. Software... 29 6.3. Zařízení... 30 6.4. Od měření zákazníka k výrobě čoček... 30 6.5. Výhody Free-Form technologie výroby brýlových čoček... 32 6.6. Kontrola kvality čoček vyrobených technologií Free-Form... 33 7. Softwary pro Free-Form technologii výroby brýlových čoček... 35

1. OptoTech... 35 2. Schneider... 36 3. Satisloh... 36 4. Coburn Technologie... 36 8. Přístroje pro výrobu čoček technologií Free-Form... 37 8.1. Firma OptoTech... 37 8.2. Firma Schneider... 39 8.3. Firma Coburn Technologie, Inc.... 40 8.4. Firma Satisloh... 41 9. Příklady brýlových čoček vyrobených technologií Free-Form... 43 10. Závěr... 47 11. Příloha... 48 12. Použitá literatura... 49 13. Seznam a zdroje schémat, tabulek a obrázků:... 54 13.1. Schéma... 54 13.2. Tabulky... 54 13.3. Obrázky... 54

1. Úvod Zrak byl pro lidi vždy jeden z nejdůležitějších smyslů, proto se snažili své zhoršené vidění zlepšovat. V dnešní době jsou kladeny nároky na vidění mnohem vyšší a to zejména na blízkou a střední vzdálenost, protože většina lidí pracuje s počítačem. Rychlé střídání pohledu ze střední vzdálenosti do blízké je náročné pro oči. Proto musí být perfektní korekce refrakční vady i presbyopie a dobrá optika brýlových čoček bez optických vad. To umožňují progresivní neboli multifokální čočky, vyrobené free-form technologií. U tohoto typu čoček jsou nejlépe patrné výhody a využití free-form technologie výroby. Výroba brýlových čoček je již na tak vysoké úrovni, že se čočky přizpůsobují přímo pro konkrétního klienta. Jeden stroj řízený softwarem čočku frézuje i vyleští. Tato práce se nazývá free-form technologie výroby brýlových čoček. Jejím cíle je vysvětlení a zpřehlednění této technologie. Poskytuje přehled o konkrétní metodě výroby. Dále popisuje postup od měření parametrů zákazníka až k zhotovení čoček, kontrolu kvality čoček a strojní zařízení. Vývoj této technologie se stále zdokonaluje a jednotliví výrobci čoček přicházejí každý rok na trh s inovacemi a novinkami. Z dostupné literatury je v devíti kapitolách uvedena historie, optické vlastnosti, materiály, konvenční výroba, free-form technologie výroby, přístroje a softwary pro free-form technologii výroby a čočky vyráběné touto technologií. Součástí práce je i obrazová příloha v textu, která slouží pro lepší představu a snazší pochopení. 8

2. Historie brýlových čoček Sklo bylo objeveno již několik tisíc let před naším letopočtem a optikou se lidé zabývali asi 500 let před naším letopočtem v Řecku. Začátkem našeho letopočtu se Seneca zmiňuje o účincích skleněné kuličky naplněné vodou, ale dosažené zvětšení textu přisuzoval spíše účinku vody. 1 Čočky ve formě smaragdu byly používané císařem Nerem, k pozorování gladiátorských zápasů, ale účinek byl spíše ochrana zraku před světlem. Předchůdcem brýlí bylo zvětšovací sklo neboli čtecí kameny. Původně se pokládaly přímo na čtený text, který zvětšovaly. Dosud se přesně neví kdy, kdo a kde začal používat skleněné čočky pro čtení, ale zřejmě nebylo používání vybroušených kamenů pro čtení náhodou. 2 V díle kolem roku 1000 našeho letopočtu od Ibn-al-Haithama (Alhazena) byl popsán zvětšovací účinek skleněného kulového segmentu. Dílo bylo asi za 200 let přeloženo do latiny a rozšířilo se mezi mnichy v klášterech a učence. Postupně se kulový segment (plankonvexní čočka) brousil tak aby se středová tloušťka redukovala a bylo možné držet čočku v objímkách před okem. Ve 13. století Angličan Roger Bacon popisuje ve své knize dosažené zvětšení kulovým segmentem, zřejmě čerpal z knihy poklad optiky od Alhazena a jeho práce dala podnět k vynálezu a výrobě brýlí. 3 Zápis z Itálie z roku 1305 pojednává o tom, že mnich Alessandro della Spina, dokáže zhotovit brýle. Brýle se skládaly ze dvou objímek na sklo s držátky spojeny pomocí nýtu a říkalo se jim nýtované brýle, používaly se asi 400 let. Skla měla jednu plochu rovinnou, která u spojek byla přivrácena k oku a u rozptylek byla tato plocha od oka dále než druhá plocha. Silnější skla neměla rovinné plochy. Výroba byla závislá na získání surovin, proto v 15. a 16. století byly výrobny umístěny v blízkosti zdrojů. Hlavním výrobcem byly Benátky, ale také Norimberk, který čerpal ze skelných šumavských hutí. Bavorsko-české sklo vyráběné foukáním mělo větší lomivost než sklo Benátské vyrobené litím. Vyráběla se skla stará neboli spojky pro presbyopy a skla mladá rozptylky pro myopy. Kolem roku 1750 se již skla nebrousila, ale jen lisovala za tepla. 4 Významný byl objev bifokálních čoček Benjamina Franklina z roku 1784. 5 Franklin řešil otázku jak se dívat do dálky i do blízka s jedněmi brýlemi. Vzal polovinu skel na dálku a ty přilepil k polovině skel na blízko. Toto spojení dal do obruby tak, že díl na dálku byl nahoře a díl na blízko v dolní polovině očnice. 6 9

Sférické konvexní čočky pro korekci hypermetropie a presbyopie jsou historicky nejstarší, pocházejí z období před naším letopočtem, avšak konkávní skla přišla až kolem 19. století. 7 Josef von Fraunhofer na přelomu 18. a 19. století zjistil, že čočky působením koroze na horní vrstvy skla vykazují rostoucí propustnost (díky snížení indexu lomu). Denis Taylor roku 1904 si nechal patentovat kyselinou vyvolání koroze čoček. Nevyužilo se to díky zmenšení životnosti čočky. Roku 1935 A. Smakula pomocí další vrstvy redukoval odrazy na optické ploše čočky, položil základ pro dnešní antireflexní vrstvy. 8 W. H. Wollaston kolem roku 1804 zjistil, že když se člověk dívá přes okraj bikonvexní čočky, ostrost vidění klesá a měl názor, že vypouklá skla (meniskové čočky) mají lepší zobrazení (odstranil astigmatismus šikmých paprsků). 9 Koncem 19. století F. Ostwalt navrhl čočky, také bez astigmatismu šikmých paprsků, avšak plošší než ty Wollastonovy. Podle Tscherningovy elipsy z roku 1904 je možné vidět dvě správné možnosti pro zhotovení těchto čoček více zakřivené podle Wollastona a plošší podle Ostwalta. 10 Schéma 1. : Tscherningova elipsa Roku 1939 byl vyvinut plastový materiál CR-39 původně pro vojenské účely. V optice se začal tento materiál využívat v padesátých letech 20. století. Brýlové čočky z polykarbonátu se vyrábí od roku 1978, tento materiál je odolnější než CR-39. 11 Američan Orford roku 1909 navrhl čočky, u kterých se použil výbrus na zadní straně čočky, kde se poloměr křivosti zvyšoval do periferie, tedy periferie se využívala pro dívání se do blízka a střed čočky pro dívání do dálky. Tento návrh se prakticky nevyužil. Roku 1964 10

navrhl a nechal patentovat francouzský profesor Maitenaze multifokální brýlové čočky, které se dále postupně vyvíjely (Varilux). 12 V polovině šedesátých let 20. století se začaly rozšiřovat první minerální fototropní čočky. Organické fototropií čočky srovnatelné s minerálními byly zhotoveny až v letech devadesátých. 13 V devadesátých letech 20. století se také objevily první čočky vyrobené technologií freeform. 14 11

3. Obecné vlastnosti brýlových čoček 3.1. Index lomu Absolutní index lomu je dán poměrem rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla vlnové délky v uvažovaném prostředí. Relativní index lomu je dán poměrem absolutního indexu lomu a indexu lomu prostředí, kde se světlo pohybuje. Pro praxi očního optika a optometristy má největší význam index lomu vzhledem ke vzduchu. 15 Čím vyšší je index lomu brýlové čočky, tím je čočka tenčí, což je u vyšší vrcholové lámavosti žádoucí. 3.2. Abbeovo číslo Abbeovo číslo je veličina určující stupeň disperze. Disperze zahrnuje rozklad bílého světla na barevné složky. Čím je Abbeovo číslo větší, tím je disperze menší. U optických materiálů je žádoucí nízká hodnota disperze. Vyšší disperze zhoršuje kvalitu zobrazení. 3.3. Měrná hmotnost (hustota) Hustota materiálu je vhodná pro brýlové čočky co nejnižší. Minerální čočky mají hustotu v rozsahu 2,55 g/cm 3 až 4,02 g/cm 3. Vysokoindexové čočky mají vyšší měrnou hmotnost, ale menší objem díky ztenčení čočky. Jejich celková hmotnost může být i nižší než stejně lámavé skleněné čočky, protože ta je objemnější. 16 12

4. Materiály na výrobu brýlových čoček Základní rozdělení materiálů pro výrobu brýlových čoček je sklo a umělá hmota. Skleněné jsou také nazývané minerální, anorganické nebo silikátové. Čočky z umělé hmoty, neboli umělohmotné, jsou dále nazývané plastové či organické. Hlavní požadavek na materiály je optická čistota. 4.1. Skleněné brýlové čočky Sklo je tvrdý a křehký materiál. Vyrábí se tavením sklotvorných oxidů (nejčastěji oxid křemičitý) s příměsí taviv a stabilizátorů a následným tuhnutím. Sklo bylo prvním, a dlouhou dobu jediným, materiálem pro výrobu brýlových čoček. Optické veličiny skla jsou ovlivněny poměrem jednotlivých surovin. Při opracování musí být čočka i nástroj chlazeny, a jelikož je sklo jeden z nejtvrdších materiálů, musí být nástroje také z co nejtvrdších materiálů. 17 Zušlechťující úpravy skla jsou tvrzení, antireflex a barevné vakuové pokovení. Minerální brýlové čočky jsou na rozdíl od plastových odolné proti poškrábání. 18 Jako optická skla se nejčastěji používají skla korunová (draselno-vápenatá), méně často flintová (draselno-olovnatá), protože mají velkou disperzi. 19 Vady skla, které vznikají při výrobě, ruší čistotu optických vlastností a také vzhled čočky. Jsou to nehomogenity ve skle (šlíry). Mohou být chemické, nebo tepelné. Vzhledem mohou mít podobu nití, provazců, šmouh, pecek, uzlů či pulců. Další vadou jsou bublinky, což jsou vlastně různě velké dutinky ve skle. Bublinky vznikají nedokonalým čeřením, znovu vyloučením z vyčeřeného skla, a také vinou nabírání skloviny nebo ve stroji. Další vady jsou kaménky, tuhé částice ve skle, nebo závoj, tvořený v hlubší vrstvě z podsypávacího prášku. 20 Obrázek 1. Minerální brýlové čočky 13

Příloha, tabulka 1.: Chemické složení optických skel 4.2. Plastové materiály Nejpoužívanější materiál pro výrobu plastových brýlových čoček je allylový ester, neboli CR 39 (ORMA 1000). Méně se používá polykarbonát a nejnovější je trivex (NXT). Dříve se používal polymetylmetakrylát (PMMA), dnes se z něj vyrábí lisováním destiček pouze levná optika. Stále se vyvíjejí nové materiály, nebo se zlepšují vlastnosti těch stávajících. Pryskyřice CR 39 je čirý allyldiglykolkarbonát, má příznivé optické i mechanické vlastnosti. Díky povrchovým úpravám, pro vytvrzení a snížení odrazivosti, je tento materiál dále zdokonalen a ve většině zemí používán více než skleněné brýlové čočky, díky své odolnosti proti rozbití, vyšším teplotám a lehkosti. Polykarbonát (PC) je termoplastická hmota, více odolnější proti rozbití, lehčí, ale také měkčí než CR 39, takže je výhodnější a bezpečnější pro zákazníky s rizikovým zaměstnáním či sportovce. Hodí se také k výrobě bezočnicových brýlí. Není chemicky odolný pro aceton a další rozpouštědla. 21 Trivex (NXT) byl původně vyvinut pro armádní účely jako ochranný štít. Má chemickou strukturu polyuretanu, ale molekuly jsou zpevněné dusíkem. Tento materiál vyniká extrémní odolností proti nárazu a chemikáliím, optickou čistotou, téměř 100% UV ochranou a nízkou váhou. Je velice vhodný pro bez očnicové brýle. 22 Future X tento termoplastický polymer od společnosti ILT je na trhu nový. Jeho vlastnosti jsou odolnost, pevnost v tahu, nežloutne, je lehký a tenký, 100 % UV ochrana, vhodný pro bez očnicové brýle. 23 Běžné povrchové úpravy jsou tvrzení, antireflexní a hydrofobní vrstvy, další možné úpravy estetické například pokovení zrcadlovými vrstvami. 24 Obrázek 2. Organické brýlové čočky 14

4.3. Porovnání materiálů Z tabulky 2. vidíme, že CR 39 i korunové sklo mají vyšší abbeovo číslo, které je žádoucí, než ostatní materiály. Korunové sklo má nejvyšší hmotnost (měrnou hustotu), zde je naopak výhodnější nižší hodnota. Chemickou odolnost má jediný polykarbonát slabou. Tabulka 2. Porovnání materiálů CR 39 Polykarbonát Trivex Future-X Korunové sklo Index lomu 1,498 1,586 1,523 1,57 1,523 Abbeovo číslo 58 32 43 43 58 Hmotnost (g/cm 3 ) 1,32 1,20 1,11 1,16 2,55 Chemická odolnost dobrá slabá dobrá dobrá dobrá 15

5. Technologie výroby brýlových čoček Brýlové čočky se vytvářejí z výlisků, ty procházejí kontrolou pro povrchové vady, vnitřní pnutí a samozřejmě se kontroluje geometrický tvar (poloměr křivosti). Výlisky po kontrole přecházejí do výroby. 25 5.1. Tvorba skleněných výlisků Minerální sklo je vyrobeno procesem tavení při teplotách kolem 1500ºC. Skelná tavenina je složena ze 70 % skleněnou složkou (křemen), 20 % tavidlem (potaš a soda) a 10 % tvrdidlem skla (oxidy). Horká tavenina je dodána do automatického lisu, který vyrábí výlisky. Výlisky se postupně zchlazují a nakonec jsou zpracovány na hotové brýlové čočky pomocí výrobních operací. 26 5.2. Technologie výroby plastových výlisků Plastové výlisky se vyrábějí třemi způsoby a to lisováním, vstřikováním nebo odléváním. 5.2.1. Lisování Tento způsob výroby probíhá z deskových materiálů například z polymetylmetakrylátu (PMMA), ze kterého se nejprve frézují kolečka potřebného průměru. Dále se kolečka soustruží na požadovaný poloměr avšak nepatrně větší (o 2%). Poté se vyleští plochy, jelikož na nich nesmí být hrubé rýhy. Materiál se zahřeje a těstovitá hmota se vkládá mezi dvě formy, které mají požadovaný poloměr křivosti a listují se za tlaku 200kp/cm 2 (20MPa). Tak dostane čočka požadovaný tvar podle formy. Lisování bylo úspěšné pro výrobu rozptylných čoček. 5.2.2. Vstřikování Tato technologie se používá spíše pro zhotovení protislunečních čoček, vyrábí se ve velkém množství, protože forma musí být přesná a náklady na ni jsou vysoké. Vstřikování se provádí z materiálů PMMA, acetátcelulózy nebo polystyren, tyto materiály jsou v podobě zrn nebo granulí. Zrna se přivedou do tekutého stavu v tavném válci a tlakem pístu je materiál vstřikován tryskou do dutiny formy. Po zchladnutí a ztuhnutí se může materiál z formy vyjmout a odstranit přebytečný zbytek hmoty z části čočky, kde byl vstřikovací kanálek. 16

5.2.3. Odlévání Používá se převážně při sériové výrobě plastových čoček. Do čistých, leštěných a přesně broušených skleněných forem se odlévá monomer, do kterého se přidávají iniciátor a UV pohlcovač. 27 Iniciátor pro vytvrzení směsi a UV pohlcovač absorbuje ultrafialové záření a brání žloutnutí čoček. 28 Z důvodu potřeby velkého množství forem, různých zakřivení a následné péče o formy, jsou zde velké náklady a tím je i cena čoček vyšší. Plnící stroje plní monomer s katalyzátorem do formy, která se skládá ze dvou vyleštěných a vybroušených skleněných ploch obrácených proti sobě a hmota se lije mezi ně. Po vyjmutí se z čočky obrousí vtok. Nákladnost těchto metod podnítila zavést metodu, která se používá u skleněných čoček, kdy se odlitek z plastické hmoty frézuje, brousí a následně leští. 5.3. Výrobní operace Výrobní operace se skládají z frézování, broušení a leštění brýlové čočky. 5.3.1. Frézování Po upnutí výlisku provádí diamantový nástroj frézování ve dvou hlavních směrech, současně se proces chladí a čistí olejovou kapalinou nebo akvolem. Takto se opracují obě plochy čočky. Skla se před broušením tmelí na tmelky z hliníku nebo litiny. 5.3.2. Broušení Broušení natmelených skel probíhá jednotlivě a strojní zařízení během procesu automaticky nanáší brousící prášek. Nástroj pro broušení - šala má kulovou plochu s poloměrem křivosti požadovaným pro konkrétní brýlovou čočku. Po vyfrézování jsou plochy jemné, takže se brousí velice jemným brusivem o velikosti zrn 20 µm. Jako brousící prášky se používá hydroxid hlinitý a přísady, kysličník hlinitý, karbid křemíku, ale hlavně smirek. Následuje řádné omytí a kontrola povrchu skla lupou, nesmí být patrné rýhy, tečky nebo stopy po frézování. 17

Obrázek 3. Přístroj a proces broušení Obrázek 4. Schéma brousící hlava a brousící mísa 5.3.3. Leštění Leštění se provádí pomocí přípravku, na němž je natmelena plst, nebo pomocí leštících fólií. Poloměr křivosti skla i přípravku musí být stejný. Plstěné kotoučky jsou široké 6 mm a napuštěné roztokem z vosků a leštících prášků. Tento proces spojuje tři druhy procesů a to je v prvním stádiu chemický, ve druhém fyzikálněchemický a třetí stádium je mechanické. Po opracování jedné strany povrchu čočky se opracuje i druhá strana. 5.4. Čočky se specifickou technologií výroby 5.4.1. Tórické čočky Tórická brýlová skla mají dvě lámavé plochy sférickou a tórickou. Jako první se klasicky opracuje sférická plocha (frézování, broušení, leštění). Poté se hotová sférická plocha natmelí na tmelku, která se zasadí do kruhu s požadovaným poloměrem křivost. Sklo se frézuje 18

diamantovým nástrojem. Vyfrézuje se předepsaný cylindr, čočka se obrousí, omyje a nakonec vyleští. Obrázek 5. Diamantové nástroje 5.4.2. Bifokální a trifokální čočky Vybrušované Vybrušované bifokální čočky se vyrábějí ze skleněné čočky, která již prošla konečnou kontrolou. Na konkávní ploše se zaznačí místo výbrusu a to se vybrousí mosazným přípravkem a smirkem, nakonec se čočky vyleští. 29 Bifokální skla vybrušovaná se vyhotovují společně pro několik skel současně v jedné operaci. Měla by být splněna geometrická podmínka pro odstranění skoku obrazu na předělu. Střed křivosti přídavné plochy musí ležet na ose vytvořené spojnicí mezi předělem přídavku a středem křivosti druhé lámavé plochy, na které je výbrus. Vyrobení bifokálních skel s neviditelným předělem zlepšuje hygienicko-estetické požadavky, ale za cenu nesplnění optických požadavků. Trifokální vybrušované čočky se vyrábějí jako bifokální čočky vybrušované, nebo ve tmeleném provedení. Avšak nejčastěji jsou tyto čočky zatavované. 30 Princip vybrušovaných trifokálních čoček je obdobný jako u bifokálních, ale broušení je obtížnější a odbornější. 31 Zatavované bifokální a trifokální čočky Bifokální skla s kulatým dílem pro vidění na blízkou vzdálenost se vyráběla tak, že do předbroušeného a vyleštěného vrchlíku se vtavil nový druh skla o vyšším indexu lomu. Tyto čočky s kulatým přídavným zataveným dílem nejsou zproštěny vady skoku obrazu. Výhodnější jsou bifokální zatavované brýlové čočky typu stralux (ST), kde horní část předělu zakončena rovnou plochou. 32 19

Zatavované trifokální čočky se vyrábějí ztavením tří optických skel o různém indexu lomu. Je mnoho variant bifokálních skel bez skoku obrazu a s neviditelným, nebo jen nepatrně viditelným předělem. Zatavené díly mohou být na přední či zadní ploše čočky. 33 5.4.3. Multifokální brýlové čočky Cílem těchto čoček je plynulý přechod mezi korekcí na dálku, střední vzdálenost a blízko, pro lepší a pohodlnější vidění pro presbyopy. U těchto čoček se nevyužívá kombinace různého indexu lomu jako u bifokálních nebo trifokálních čoček. Využívá se kuželosečky. Multifokální plastické čočky se vyrábí různými technologiemi a pro průmyslovou výrobu se kombinuje výpočetní, měřící a strojní technika. Tyto čočky je možné také odlévat do přesně kalibrovaných forem. 34 5.5. Principy výroby brýlových čoček Výrobní procesy lze v současnosti rozdělit do tří skupin: 1. generace sestává z frézování, broušení a leštění organické i minerální čočky 2. generace HD (high definition) zahrnující soustružení a leštění čočky (cut to polish) 3. generace free-form (v budoucnosti se počítá se 4. generací tzv. cut to coat, kde by se po vysoustružení už jen čočky lakovaly) Výhoda druhé generace oproti první je ve vynechání procesu broušení a soustružení probíhá ve tříosém pohybu. Třetí generace je zdokonalené HD a každá čočka je určena souborem číselných dat. 35 Tradiční výrobní zařízení nemohou produkovat komplexní povrchy čoček. Konvenční stroje nemají schopnost broušení a leštění těchto povrchů a nejsou schopny produkovat složité, přesné a plynulé povrchy čoček. 36 20

6. Free-Form technologie výroby brýlových čoček Free-form technologie výroby má mnoho názvů, je také označovaná jako digitální povrchová úprava (Digital Surfacing), Digitally Computed PAL, Individual PAL, Direct to surface technology, Direct-to-surface PAL, Vision First Design, High Definition (HD) Technology, Personalized Progressive Lenses a další. Je to proces, který je schopen produkovat složité povrchové tvary, zakřivení čoček, včetně asférických, atorických a hlavně progresivních povrchů. Free-form technologie se skládá ze tří samostatných ale na sobě velice závislých částí. 1. Progresivní design čočky (návrh čoček) 2. Software neboli počítačový program 3. Specifické výrobní zařízení 37 Typicky proces začíná tím, že se tvoří povrch čočky pomocí tříosého, počítačem řízeného obráběcího stroje (CNC). Ve tříosém pohybu (3D), jedno bodovým řezným nástrojem, lze vyrobit prakticky jakýkoliv tvar povrchu čočky s vysokým stupněm přesnosti a plynulosti. Opracovaný povrch čočky je pak leštěn do vysokého lesku pomocí flexibilního lešticího kotouče, který je také řízen počítačovým softwarem. Použitím technologie free-form, může laboratoř nechat vyhotovit různé designy, například progresivních čoček, přímo na polotovary čoček výlisky. Přední a zadní strana čočky nabízí možnosti zkombinování využití free-form povrchové úpravy a povrchu výlisku. Jak znázorňuje obrázek 6. Obrázek 6. Free-form progresivní čočky jsou k dispozici ve třech různých konfiguracích 21

Zadní povrchová úprava je složena ze sférické přední úpravy výlisku a free-form progresivní povrchové úpravy na zadní ploše, kde je i kombinace předepsaného zakřivení. Přední povrchová úprava je složena z progresivní přední plochy výlisku a vytvoření předepsaného a optimalizovaného zakřivení pomocí technologie free-form na zadní ploše. Oboustranná úprava zahrnuje progresivní povrch výlisků s částí adice na přední ploše a na zadní části pomocí free-form technologie progresivní povrchová úprava se zbývající sílou adice a předpisem zakřivení, progresivní optika je tedy rozdělena mezi přední i zadní plochu čočky. Bez ohledu na umístění skutečné progresivní optiky, zda je na předním, zadním nebo rozdělená mezi oba povrchy, má minimální vliv na velikost vlastního nežádoucího astigmatismu čočky. Protože typickou brýlovou čočku představuje "optický systémem" docela zanedbatelné tloušťky, optika každého povrchu je v podstatě doplňková. V důsledku toho, vlastní nežádoucí astigmatismus progresivních čoček, není významně ovlivněn umístěním progresivní optiky. Obrázek 7. Plocha pro průchod paprsků astigmatických optických čoček, které byly navrženy buď pomocí čelní plochy, dvojího povrchu nebo zadní strany progresivní čočky jsou opticky prakticky totožné Umístění progresivní optiky na zadní povrch může minimalizovat nežádoucí účinky zvětšení. Vada zobrazení, aberace, která způsobí, že objekty se jeví oříznuté, nebo skloněné přes okraj progresivních čoček, je způsobena změnou zvětšení vytvořenou rozdílným zakřivení na celé přední ploše. Zvětšení se mění v důsledku nechtěného cylindru vyrobeného těmito rozdíly v zakřivení. 22

Umístěním progresivní optiky na zadní plochu čočky eliminujeme podíl přední plochy na tyto změny zvětšení. Navíc, když je progresivní optika na zadní ploše a progresivní zobrazovací zóny jsou blíže k oku, může být dosaženo mírně širšího zorného pole. Nicméně, rozdíly v optickém výkonu jen díky umístění progresivní optiky jsou obecně malé. Při free-form povrchové úpravě je využíván, ve spojení se sofistikovaným designem progresivních čoček, optický software schopný navrhování progresivních čoček za chodu. Aby odpovídala optika každé progresivní čočky přesně vizuálním požadavkům jednotlivých nositelů, navrhují se čočky ještě před výrobou. Vzhledem k objektivním omezením tradičních progresivních čoček, nabízí tato aplikace free-form technologie nejvýznamnější vizuální prospěch. Polotovary tradičních progresivních čoček (blanky) jsou továrně lisované ve velkém množství. Tyto čočky jsou obvykle k dispozici ve 12 velikostech adice na oko a až v tuctu materiálů, což jsou stovky polotovarů čoček pro každé nabízené základní zakřivení. 38 Verze návrhu s krátkým koridorem zdvojnásobí celkový počet potřebných polotovarů čoček. V důsledku toho tradičně vyráběné progresivní čočky vyžadují masivní výrobu výrobků a prostory na skladování. Změny v základní konstrukci těchto čoček byly tudíž omezeny na jemné rozdíly v optické konstrukci na několik základních křivek, které musí fungovat dostatečně dobře přes relativně široké rozpětí předpisů. Proto jsou tradiční progresivní čočky určené pro pár předpisů průměrné síly, s použitím průměrně nastavitelných parametrů, jak pro standardní tak pro malé velikosti obruby. Bohužel, žádný jednotný progresivní design čočky neposkytuje optimální hodnoty pro optický výkon s každou možnou kombinací předpisu, velikostí obruby a zasazení do ní. Každý předpis vyžaduje unikátní optický design, aby plně odstranil aberace. Navíc, pokud délka koridoru designu čočky, neodpovídá ideální délce spojené s velikostí dané obruby, je vizuální nástroj ohrožen. I když někteří nositelé mohou být potěšeni optickým výkonem tradičních progresivních čoček, většina nositelů musí tolerovat snížené optické vlastnosti. 6.1. Free-Form design Nyní se mohou designy progresivních čoček plně přizpůsobit vizuálním požadavkům jednotlivých nositelů. V roce 1990, návrháři čoček v Německu, začali přizpůsobením progresivních čoček pomocí free-form technologie. Použili atorický design čočky na zadní progresivní stranu polotovaru. Dnes se jejich technologie zdokonalila tak, že software obvykle provádí složité výpočty neustále v centrálním počítači pomocí parametrů dodaných 23

očními optiky a optometristy. Konečný výpočet čočky je pak přenesen přímo do továrny do zařízení pro free-form povrchovou úpravu čočky. Každý design je dynamicky zpracováván v "reálném čase". Vytváří unikátní, nejčastěji progresivní čočky, plně přizpůsobené předpisu nositele. Mají vhodnou geometrii a odpovídají parametrům obruby. Ideální geometrie designu čočky je nejprve vypočítána, včetně nejlepší délky koridoru a odpovídající zóně přídavku na blízko. Počáteční optický výkon se pak porovnává s výkonem pro ideální nebo "cílovou" čočkou. Optika skutečného návrhu čoček je jemně laděna bod po bodu, za použití komplexních asférických algoritmů, až se konečná čočka, požadovanými optickými vlastnostmi, podobá cílové čočce co nejblíže. Obrázek 8. Při free-form výrobní technologii výkonný optický desénový přístroj přizpůsobuje optiku každé progresivní čočky bod po bodu Přizpůsobení pro předpis - optimalizace Když se nositel podívá přes okrajové oblasti brýlové čočky, aberace jako astigmatismus šikmých paprsků produkují nechtěné sférické a cylindrické chyby zobrazení, které snižují kvalitu vidění a zužují zorné pole (obrázek 9). Tradiční čočky jsou k dispozici pouze v omezeném počtu základních zakřivení. Poskytují optimální optický výkon pouze pro sférický účinek nacházející se v blízkosti centra předepsaného rozsahu základní křivky. Ostatní předpisy budou trpět zbytkovou aberací, zvláště když předpis obsahuje cylindrický účinek, jelikož z konvenčních návrhů čoček nemůžeme odstranit chyby produkované sférickým a současně cylindrickým účinkem. 24

Obrázek 9. Pro mnoho předpisů může být zorné pole významně zmenšeno a zkresleno nekorigovanou čočkovou aberací Optické účinky progresivních čoček zhoršuje aberace. Astigmatismus šikmých paprsků se opticky ovlivňuje s povrchovým astigmatismem progresivních čoček, což zapříčiňuje zúžení zorného pole. Aberace může také způsobit zkreslené zobrazení progresivní zóny v jejich ideální poloze. V některých regionech nežádoucí astigmatismus vidění více rozostří, zatímco v jiných částech je skutečně ostré vidění. Toto narušení centrální části zorného pole narušuje binokulární vidění přes čočky. S dostatečně pokročilým softwarem a free-form aplikačním systémem, je možné přizpůsobit progresivní design čoček vycházející z unikátních předpisů a požadavků každého uživatele (obrázek 10). Od jemného doladění optické konstrukce progresivní čočky k přesnému předpisu pomocí sofistikovaného optického optimalizačního procesu, jsou zbytkové aberace prakticky odstraněny. Nositele tedy může těšit nejširší možné zorné pole s čistým viděním, což je možné, bez ohledu na předpis. Dále je zachována binokulární prospěšnost čoček s více symetrickým zorným polem. Obrázek 10. Tato free-form progresivní čočka je precizně přizpůsobená pro předpis nositele, který zajišťuje symetrické pole ostrého vidění. 25

Přizpůsobení pro pozici nošení - Individualizace Pro dodržení ideální pozice nošení čočky vzhledem k aktuálnímu uživateli se měří tyto parametry: úhel inklinace (pantoscopic tilt PT), vertex vzdálenost (cornea vertex distance - CVD), vzdálenost zornic (pupil distance PD) a úhel prohnutí brýlového středu (face form angle - FFA) (Obrázek 11). Obrázek 11. Potřebné parametry k přizpůsobení Brýlové předpisy jsou obvykle stanoveny pomocí foropteru, nebo vysklíčkováním do zkušební obruby, která je umístěna kolmo k ose vidění nositele. Po nasazení zhotovených brýlí, však brýlová obruba často nechá brýlové čočky nakloněné. Náklon čoček, jiný než kolmý k ose vidění, zavádí astigmatismus šikmých paprsků, což vede ke zvýšení v oblasti sférického výkonu a nechtěnému astigmatismu. Tyto nežádoucí změny mohou snížit optický výkon progresivní čočky, a to zejména prostřednictvím centrální části zorného pole (obrázek 12). Obrázek 12. Vidění může být značně zhoršeno pozicí centrální zóny vidění při zabroušení čoček. S dostatečně pokročilým softwarem, je možné přizpůsobit progresivní design čoček založený na jedinečném využití parametrů každého uživatele (obrázek 13). Pokud je úhel inklinace, úhel prohnutí brýlového středu a vertex vzdálenost od uživatele dodány, může být 26

vhodná čočka modelována pro pozici nošení. Použitím chodu paprsků s cílem uplatnit potřebné optické korekce po povrchu čočky v průběhu optického optimalizačního procesu. Nositel proto může vychutnat nejlepší optický výkon, což je možné bez ohledu na jejich individuální požadavky pro usazení do obruby. Tradiční progresivní čočky jsou často navrženy tak, aby vykazovaly stanovený optický výkon jen při měření pomocí fokometru (obrázek 14). Free-form technologií přizpůsobené progresivní čočky pro pozici nošení jsou navrženy tak, aby poskytly nositeli předepsaný optický výkon v aktuální pozici nošení. V důsledku toho jsou malé změny v původním předpisu, jež jsou vyžadovány na dálku a na blízko, ověřovací body čoček. Tyto úpravy sféry, cylindru, osy a síly adice jsou dodávaný jako náhrada předpisu, který představuje správnou sílu čoček pro ověření při použití standardního fokometru. Obrázek 13. Tyto progresivní čočky jsou přizpůsobeny parametrům nositele za účelem dosažení ostrého vidění v centrální zóně vidění. Obrázek 14. Tradiční progresivní čočky vykazují předepsanou sílu při měření fokometrem, kdežto free-form progresivní čočky mají tento účinek při pozici nošení Přizpůsobení pro velikost obruby Optický výkon progresivní čočky je výrazně ovlivněn délkou koridoru. Je-li koridor příliš dlouhý pro danou velikost obruby, použití na čtení je výrazně omezeno, protože zóna na 27

blízko je v podstatě odříznuta. Je-li koridor příliš krátký, design optiky čočky je v podstatě komprimovaný. Vzhledem k matematickému omezení progresivních ploch, když se délka koridoru snižuje, tak se zároveň zvyšuje nechtěný astigmatismus přes progresivní design čoček, což vede k zúžení centrálního zorného pole, snížení střední užitné plochy a zvýšení periferního astigmatismu. Délka koridoru progresivních čoček by neměla být kratší, než je nezbytné, v rámci pohodlného vidění. S dostatečně pokročilým softwarem, je možné přizpůsobit odpovídající délku koridoru návrhu čočky, pro usazení do požadované výšky ke zvolenému typu obruby nositele (obrázek 15). To maximalizuje užitečnost centrální zóny vidění, bez zbytečného narušení optického výkonu v jiných částech čočky. Nositelé se tedy mohou těšit z největší možné velikosti zóny pro čtení, bez ohledu na velikost obruby. Obrázek 15. Tyto čočky se liší v délce koridoru od 10-16 mm, aby odpovídal design čočky přesně podle velikosti obruby a montážní výšce Další formy přizpůsobení Jsou také možné jiné formy optického přizpůsobení pro uživatele. Každý další stupeň přizpůsobení slouží ke snižování rozdílů mezi individuální potřebou vidění každého nositele a optickou konstrukcí čočky. Ideální progresivní design čoček pro daného uživatele je závislý na vizuálních požadavcích specifických pro jeho životní styl. Podle hodnocení potřeby, například pomocí dotazníku, může být rovnováha návrhu čoček, mezi zónou vidění na blízko a dálku, individuálně přizpůsobena. Nositelé progresivních čoček zabývající se častěji úkoly spojenými s viděním do dálky mohou dávat přednost progresivnímu designu čoček přizpůsobenému s větší zónou na dálku, proti tomu nositelé s většími nároky na vidění do blízka mohou preferovat design čoček s větší zónou pro blízko. 28

Bylo také prokázáno, že jedinci se liší ve svých obvyklých pohybech hlavy. Celková změna pohledu nositele je díky kombinaci pohybů hlavy a pohybů očí. Jednotlivci, kteří mají tendenci vykazovat větší relativní pohyb hlavy, jsou často označování jako " hybatelé hlavou ", zatímco jedinci, kteří vykazují více pohybů očí, jsou označováni jako "hybatelé očí" (obrázek 16). Vzhledem k omezené šířce zóny vidění progresivní čočky, může být omezen postranní pohyb očí. "Hybatelé očí" mohou mít prospěch z návrhu přizpůsobených čoček s širší zónou vidění. "Hybatelé hlavou" na druhé straně mohou mít prospěch z návrhu přizpůsobených čočky s jemnějšími přechody optického výkonu a astigmatismu s cílem minimalizovat plavání obrazu a podobné efekty zvětšení, které mohou narušit vidění během kompenzačního pohybu hlavy. 38 Obrázek 16. Zařízení využívající se k určení, zda daný jedinec pohybuje hlavou nebo očima. 6.2. Software Klíčem k úspěchu je software, který vypočítá zakřivení pro individuální design čočky a řídí strojní zařízení (generátor) na výrobu čoček. Proces začíná teoretickou konstrukcí modelu čočky. Vypočítávají se optimální zakřivení pro všechny možné předepsané hodnoty, povrch čočky je matematicky popsán souborem tisíce bodů. Vzhledem k tomu, že různé materiály čoček mají různý index lomu, musí se optimální křivky vypočítat pro každý materiál zvlášť. Tato informace se nakonec použije při řízení výrobního generátoru a leštění čoček. Některé návrhy umísťují progresivní design i výkonné parametry na zadní stranu. Jiné návrhy k tomu využívají obě plochy. Některé vyžadují měření vzdálenosti rohovky k zadní ploše čočky, jiné vyžadují analýzu a měření měnících se podmínek uživatele při čtení. Výsledné individuální čočky poskytují novou úroveň ostrosti a pohodlí vidění. 29