Rezensionen

OPTIKUM
DOZ (Dr. Guilino)
Augenspiegel (Dr. Bockelmann)

Heinz Diepes · Ralf Blendowske
Optik und Technik der Brille

Das Leben ist bezaubernd.
Man muss es sich nur durch die richtige Brille ansehen.

Alexandre Dumas (1802 - 1870)

Hier liegt Salvino d'Armato, von den Florentinern Armati,
Erfinder von Augengläsern:
Möge Gott ihm seine Sünden vergeben.
AD 1317

Epitaph in S. Mario Maggiore in Florenz

Heinz Diepes

Ralf Blendowske

Optik und Technik der Brille

Mit 251 Abbildungen und 40 Tabellen

Heinz Diepes, geb. 1931, kam 1958 nach einem Physikstudium in Köln zur Augenoptik. Er lehrte viele Jahre an der Höheren Fachschule für Augenoptik in Köln. Im Jahr 1982 gründete er den Studiengang Augenoptik an der Fachhochschule Aalen und lehrt auch nach seiner Pensionierung die Optik und Technik der Sehhilfen. H. Diepes ist Autor zahlloser Beiträge für verschiedene Fachzeitschriften und hat Bücher zu den Themen Refraktionsbestimmung und Brillenzentrierung veröffentlicht. Neben seiner Tätigkeit in der WVAO war Diepes Mitglied mehrer Normenausschüsse in DIN, CEN und ISO.

Ralf Blendowske, geb. 1960, hat in Siegen Physik studiert und war von 1991 bis 1997 in der Optischen Industrie tätig. Bis 2001 lehrte er an der Fachhochschule Aalen im Studiengang Augenoptik die Optik und Technik der Brille sowie die Technische und Geometrische Optik. Seit 2001 vertritt er die Gebiete Optische Messtechnik und Augenoptik im Studiengang Optotechnik und Bildverarbeitung an der Fachhochschule Darmstadt.

ISBN: 3-922269-34-6
© 2002 Optische Fachveröffentlichung GmbH, Heidelberg
Satz (L^AT_EX): Ralf Blendowske
Herstellung: Druckhaus Beltz, Hemsbach

Vorwort

Kein optisches Instrument ist weltweit so verbreitet wie die Brille. Verblüffenderweise existiert aber kein aktuelles Buch, das die Optik und Technik der Brille umfassend darstellt. Um Missverständnisse zu vermeiden, soll klargestellt werden, dass es hervorragende Technische Informationen oder Kompendien zur Brillenoptik gibt. Außerdem sind sehr gute elementare Einführungen in die Brillenoptik erschienen. Eine Monografie jedoch, die versucht, die Optik und Technik der Brille von den Grundlagen her zu beleuchten, fehlt im deutschsprachigen Raum. Nachdem das englische Standardwerk (Jalie, 1980) vergriffen ist, scheint die Situation im angelsächsischen Raum nicht besser zu sein. Mit diesem Band hoffen wir, die Lücke im deutschsprachigen Raum schließen zu können.

An alle, die mit der Brille als optischem Instrument zu tun haben, richtet sich dieses Buch. Es ist aus Vorlesungen zu diesem Thema entstanden, die wir an der Fachhochschule Aalen im Studiengang Augenoptik, teilweise über viele Jahre hinweg, gehalten haben. Wir haben aber versucht, in der Darstellung nicht nur den Studierenden, sondern auch den Praktikern gerecht zu werden. Um jedoch auch neuere Entwicklungen behandeln zu können, mussten wir gelegentlich über die Verwendung elementarer Mathematik hinausgehen. Die Kernbereiche dieses Buches sollten aber durchaus allgemein verständlich sein. Zur Unterstützung der Lesbarkeit verwenden wir außerdem zahlreiche Abbildungen.

Ob dieses Buch für Sie nützlich ist, mag davon abhängen, wozu Sie in diesem Buch nichts finden. Folgende Themen wurden ausgespart: Die Werkstattarbeit. Wir schreiben nichts zur anatomischen Brillenanpassung, zur Fassungsbearbeitung, zur Verglasung oder wie eine Bohrbrille hergestellt wird. Diese Themen sind enorm wichtig für die erfolgreiche Abgabe einer Brille und werden leider oft unterschätzt. Solche vorrangig praktischen Fertigkeiten werden allerdings letztlich nur durch die Praxis erlernt. Das Lesen von Büchern hat in diesem Fall eher den Charakter von Trockenschwimmen. Die Refraktionsbestimmung. Die Bände von Methling und Diepes liefern hierzu alle notwendigen Informationen. Die Physiologie und Optik des Auges. Einen detaillierten und aktuellen Einblick bieten die im Literaturverzeichnis genannten Artikel .

Autoren von Büchern leben in den seltensten Fällen auf einer kleinen Insel oder pflegen das Eremitendasein. Deswegen tragen letzlich zu einem Buch immer mehr Menschen bei als auf dem Titel angegeben sind. So ist es auch bei diesem Buch. Viele haben zur Entstehung und Verbesserung dieses Buches beigetragen - manche vielleicht sogar, ohne es zu ahnen.

Die Kolleginnen und Kollegen im Studiengang Augenoptik haben uns in vielen Gesprächen in Fluren und auf Treppen ermuntert und unterstützt. Unser Dank geht daher zunächst an A. Buser, G. Gordon, R. Hilz, A. Holschbach, D. Kümmel, R. Liebhäuser, B. Lingelbach, R. Michels, A. Nagl und W. Schinko. Einer der Autoren (R.B.) möchte sich besonders bei R. Michels, O. Schmidt und S. Tönnies für Gedankenzufuhr bedanken.

Weiterhin möchten wir den folgenden Personen aus der optischen Industrie für ihre Unterstüzung danken: A. Fuchs (Essilor-Ehinger, Freiburg), G. Guilino und P. Baumbach (O.W. G. Rodenstock, München), G. Hubrach und T. Stein (Rupp und Hubrach, Bamberg) und W.D. Müller (Carl Zeiss, Aalen).

Besonders danken wir den Studierenden im Studiengang Augenoptik, ohne deren Geduld in den Vorlesungen und ohne deren Kritik dieses Buch schlechter wäre. Gerne bedanken wir uns auch für die freundliche Betreuung durch den DOZ-Verlag. Sollten wir jemanden unbeabsichtigt vergessen haben, dann bitten wir um Milde und Nachsicht.

Nur wer nichts tut macht keine Fehler. Rousseau formulierte diesen Sachverhalt vornehmer mit den Worten: Das einzige Mittel, den Irrtum zu vermeiden, ist die Unwissenheit. Sie ahnen schon, wo das hinführt: Dieses Buch enthält Fehler. Die Fehleranzahl in diesem Buch wäre größer ohne die Unterstützung, die wir erfahren haben. Für die verbliebenen Fehler allerdings tragen aber alleine die Autoren die Verantwortung. Die Verwendung der neuen Rechtschreibung mag manchem als Fehler erscheinen. Wir haben uns, auch aus Gründen des Humors, für diese Regelung entschieden. Wir hoffen jedoch, dass die Freunde des Bisherigen jenes Quäntchen Gelassenheit mitbringen, das diesem Thema angemessen ist.

Unser Buch ist nun in den Händen des wichtigsten Gutachters und Kritikers - und das sind Sie! Sollten Sie Anregungen, Kritik, Wünsche, Hinweise auf Fehler oder Verbesserungsvorschläge haben, dann schicken Sie doch einfach eine kurze Notiz - beispielsweise in Form einer Email an blendowske@fh-darmstadt.de.

Und nun wünschen Ihnen die Autoren, dass Sie recht viel Nutzen aus dieser Arbeit ziehen können.

Aalen und Frankfurt/M im Januar 2002

Heinz Diepes Ralf Blendowske

Einleitung

Das vorliegende Buch befasst sich mit der Optik und vielen Aspekten der Technik der Brille im Zusammenspiel mit dem Augenpaar. Dabei wird bewusst die Brillenfassung nur so weit behandelt, wie es zum Verständnis der Wirkung der Brillengläser vor dem Augenpaar erforderlich ist. Es geht also in diesem Buch hauptsächlich um Brillengläser, und der Schwerpunkt liegt auf der Optik, also der Lehre vom Licht und der Abbildung von Objekten durch das Licht.

Auf den ersten Blick scheinen Brillengläser die einfachst möglichen dioptrischen Elemente zu sein, nämlich einzelne Linsen, die nur aus einem Stück durchsichtigen optischen Materials bestehen, das von zwei optisch wirksamen Flächen begrenzt wird. Der Glasrand hat nur mechanische Bedeutung und kann meist außer Betracht bleiben.

Die genauere Betrachtung zeigt aber, dass Brillengläser im Zusammenwirken mit dem dahinter liegenden ruhenden oder sich bewegenden (blickenden) Augenpaar viele Probleme aufweisen, die alles andere als trivial sind. Die früher gelegentlich geäußerte Meinung, die Entwicklung des Brillenglases sei beendet, und es seien von Nischenprodukten abgesehen keine Neuerungen mehr zu erwarten, hat sich als eindeutig falsch erwiesen. Es stimmt zwar, dass die Darstellung der Grundlagen der Brillenoptik durch ALVAR GULLSTRAND, MORITZ V. ROHR und ihren Zeitgenossen in den ersten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts vom damaligen Stand der Technik her gesehen vollständig war und keiner größeren Ergänzung bedarf. In der Zwischenzeit hat es aber wesentliche Entwicklungen gegeben, die zur damaligen Zeit nicht vorherzusehen waren. Diese Entwicklungen betreffen

1. die Kenntnis der physiologisch-optischen und der psychophysikalischen Gegebenheiten beim Sehorgan,

die Flächengestaltung der Brillengläser,
die Ausweitung der Berechnungsmöglichkeiten durch den Einsatz moderner mathematischer Verfahren und die Verwendung von Computern und
die Materialien.

Diese Entwicklung ist nicht abgeschlossen, und so kann unser Versuch einer einigermaßen vollständigen Darstellung der Optik und Technik der Brille nur eine Momentaufnahme für einen Zeitpunkt nicht allzu weit vor dem Datum der Veröffentlichung sein.

Aus Gründen der Lesbarkeit und der Logik der darzustellenden Zusammenhänge besteht jedes Kapitel, wie einst Gallien, aus drei Teilen:

1. Kernteil. Dieser enthält eine Darstellung der grundsätzlichen Zusammenhänge des jeweiligen Kapitels. Herleitungen werden im Kernteil wiedergegeben, wenn sie von grundsätzlicher Bedeutung sind (beispielsweise die Näherung dritter Ordnung beim Astigmatismus schiefer Bündel, die zu den bekannten TSCHERNINGschen Kurven führt). Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dass der Leser jede Herleitung in allen Einzelheiten nachvollzieht und versteht. Man kann sich durchaus zu Recht auch darauf beschränken, gewisse Zusammenhänge einfach zu glauben``. Es ist ja gerade das zeitsparende Wesen der Mathematik, dass eine Formel oder ein Lehrsatz, deren Beweis einmal gelungen und anerkannt ist, verwendet werden können, ohne dass man jedes Mal wieder bei Null beginnt. Spätere Kapitel beziehen sich immer nur auf den Kernteil der vorangegangenen Kapitel. Beim ersten Lesen kann man sich daher, wenn man will, auf den Kernteil beschränken. Das Kap. 21 dient der Vertiefung und kann ebenfalls beim ersten Lesen übergangen werden.

Beispiele und Ergänzungen. Hier gibt es keine fortlaufende, in sich geschlossene Darstellung der Zusammenhänge mehr. Vielmehr werden hier Ergänzungen zu den Zusammenhängen des Kernteils besprochen. Dabei kann es sich um Zahlenbeispiele, weniger wichtige Herleitungen oder auch um Sonderthemen handeln. Der Abschnitt Beispiele und Ergänzungen ist in einer kleineren Type gedruckt, um deutlich zu machen, dass sein Inhalt nicht zum Kernteil gehört.
Übungen. Hier handelt es sich teilweise um Aufgaben zur Berechnung und zur Lösung von Problemen, teilweise aber auch um Verständnisfragen. Demjenigen, der nicht nur einen Überblick bekommen, sondern sich gründlich in die Materie einarbeiten will, sei dringend geraten, sich ausführlich mit den Übungen zu beschäftigen.

Die geschilderte Aufteilung jedes Kapitels ist nicht immer konsequent durchgehalten, weil sie nicht in allen Fällen sinnvoll ist. Da sich das Buch an Studierende und an Praktiker richten soll, gibt es in der Darstellung eine gewisse Redundanz. Das heißt, es werden manche Zusammenhänge mehrfach und ausführlicher als unbedingt notwendig dargestellt. Wir hoffen, dass dieses Vorgehen der Lesbarkeit zugute kommt.

Der inhaltliche Aufbau des Buches folgt zunächst den Unterteilungen von Brillengläsern nach ihrer Funktion. Die Kapitel 1 bis 8 beschäftigen sich mit dem einfachsten Fall: dem Einstärkenglas mit sphärischer Wirkung und sphärischen Flächen. Viele grundlegende Begriffe und Sachverhalte der Brillenoptik werden hier eingeführt und dargestellt. Insbesondere werden die Aberrationen des Brillenglases ausführlich behandelt. Die Erweiterung zu rotationssymmetrischen Asphären in Kap. 9 liegt dann nahe. Im nächsten Schritt rücken in Kap. 10 die Gläser mit astigmatischer Wirkung ins Blickfeld. Viele Begriffe können vom Glas mit sphärischer Wirkung auf ein Glas mit astigmatischer Wirkung übertragen und hauptschnittweise angewendet werden. Der Strahlverlauf an Gläsern mit astigmatischer Wirkung wird sehr ausführlich und mit zahlreichen Abbildungen diskutiert. Die Aberrationen eines Glases mit astigmatischer Wirkung können nur ansatzweise behandelt werden, weil eine detaillierte Darstellung den Rahmen diese Buches sprengen würde.

Vereint ein Brillenglas unterschiedliche Wirkungen für unterschiedliche Objektentfernungen, so wird von Mehrstärkengläsern gesprochen. Die klassischen Bifokal- und Trifokalgläser werden in Kap. 11 behandelt. Der Übergang zum Gleitsichtglas erfolgt in Kap. 12. Dieses Kapitel ist aber auch weitestgehend ohne das vorhergehende lesbar. Es enthält neben den zentralen Elementen der Theorie von Gleitsichtgläsern auch einen längeren Abschnitt über die Messtechnik an Gleitsichtgläsern.

Weil der Mensch in der Regel zwei Brillengläser trägt, werden in Kap. 13 die Zusammenhänge von Brille und Augenpaar dargestellt. Neben der Vergenz-Sollstellung und dem Inset liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Diskussion der unterschiedlichen Zentrierforderungen. Prismatische Gläser, wie sie zur Korrektion von Stellungsanomalien verwendet werden, werden in Kap. 14 unter dem geometrisch-optischen Aspekt behandelt.

Die Anforderungen an Brillengläser, wie sie beispielsweise in Normen formuliert sind, werden in Kap. 15 behandelt. Wie diese Anforderungen messtechnisch geprüft werden können, ist neben den elementaren Messmethoden an Brillengläsern Gegenstand von Kap. 16.

Die Kap. 17 bis 20 behandeln allgemeine Eigenschaften von Brillengläsern unabhängig von ihrer optischen Funktion. Während es bis vor 30 Jahren nur ein Material für Brillengläser gab, ist heute die Auswahl an organischen wie anorganischen Materialien enorm. Die typischen Materialeigenschaften von Silikat- und Kunsttoffgläsern werden in Kap. 17 gegenübergestellt. Die für Kunststoffgläser unverzichtbare Hartschicht wird ebenfalls in diesem Kapitel diskutiert.

Die lichttechnischen Größen von Brillengläsern, insbesondere der Transmissions- und Reflexionsgrad, stehen im Mittelpunkt von Kap. 18. Phototrope Gläser werden dort ebenso behandelt wie die Kenngrößen von Sonnengläsern.

Reflexe an Brillengläsern können das Sehen beeinträchtigen. Die Entstehung und Wahrnehmbarkeit von Reflexlicht wird in Kap. 19 erläutert. Die Reduktion von Reflexlicht wird durch dünne Schichten erzielt. Dieses Interferenzphänomen und die grundlegende Wirkungsweise von Einfach- und Mehrfachschichten werden in Kap. 20 erklärt.

Eine Ergänzung stellt das Kap. 21 dar. Dort wird die zunehmende Verwendung der Matrixschreibweise in der fachwissenschaftlichen Diskussion aufgegriffen, um optische Zusammenhänge bei Gläsern mit astigmatischer Wirkung zu beschreiben. Eine aktuelle Anwendung dieser Methode ist die Beschreibung von verkippten Gläsern, wie sie beispielsweise bei durchgebogenen Fassungen vorkommen. Auch beim Vergleich astigmatischer Wirkungen kann die Matrixmethode mit Gewinn eingesetzt werden. Denn mit ihrer Hilfe ist es möglich, einen so genannten dioptrischen Abstand einzuführen, der beispielsweise zur Beschreibung von Toleranzen zweckmäßig ist. Die Lektüre dieses Kapitels mag manchem beschwerlich erscheinen. Wir haben uns dennoch entschlossen, dieses Kapitel aufzunehmen. Nicht nur, weil es den Anschluss an aktuelle Diskussionen erlaubt, sondern auch deshalb, weil es überfällig ist, wie das folgende Zitat von FICK aus dem Jahr 1974 zeigt:

„Der Verfasser war und ist sich stets bewußt, daß der Umgang mit Matrizen den Augenoptikern der heutigen Generation noch ein Buch mit sieben Siegeln ist und nur ganz wenige diesen Ausführungen bis zum Schluß folgen konnten. In den kommenden Generationen aber wird das anders sein. Schon wird an einigen Fachoberschulen der Matrixbegriff gebracht und die Rechenregeln dafür eingeführt. In absehbarer Zeit wird nicht nur jeder Abiturient, sondern auch jeder Fachoberschüler die Grundlagen der Vektor- und Matrixrechnung kennengelernt haben. Diese daraus resultierenden späteren Augenoptiker-Jahrgänge werden es im Umgang mit Vergenz- und Brechwertmatrizen wesentlich leichter haben und den Fortschritt, der damit in der in der Beschreibung der paraxialen Strahlenoptik gegeben ist, erkennen und zu würdigen wissen.“

Das Buch wird durch verschiedene Anhänge abgeschlossen, die seinen Gebrauchswert erhöhen sollen:

· Eine kurze Darstellung der Elemente der geometrischen Optik. Sie beinhaltet auch eine Herleitung der CODDINGTONschen Gleichungen, die zentral für das Kapitel zum Astigmatismus schiefer Bündel ist. Wir behandeln hier auch kurz optische Systeme, insbesondere die Lupe, weil deren Verständnis nicht nur für die vergrößernden Sehhilfen nützlich ist.

Die Elemente der Matrix-Algebra stellen die wichtigsten Zusammenhänge der Matrizenschreibweise dar, die an einigen Stellen verwendet wird.
Ein Glossar, also ein kurzes Wörterbuch der wichtigsten Begriffe. Dieses Glossar erleichtert auch ein abschnittsweises Lesen des Buches. Sollte ein Begriff unbekannt sein, lohnt sich zunächst ein Blick in das Glossar. Die Einträge des Glossars sind nicht nochmals in das Stichwortverzeichnis des Buches aufgenommen worden.

Selbstverständlich fehlt auch ein Literaturverzeichnis nicht. Es enthält neben aktuellen Referenzen auch ausgewählte Literatur, die entweder in den Jahren nach dem Erscheinen des Standardwerkes von ROHR und BOEGEHOLD erschienen ist oder von historischem Interesse ist.

Bei Begriffen und Zeichen haben wir uns weitgehend an die derzeit geltenden nationalen und internationalen Normen gehalten. Leider ist das derzeit im Bereich der Brillengläser geltende Normenwerk weder lückenlos noch widerspruchsfrei. Wir weichen daher in Ausnahmefällen von den Normen ab, wenn dies der Klarheit oder der Zweckmäßigkeit dient. Beispielsweise verwenden wir anstelle der DIN EN ISO 13666 die ältere, aber oft begrifflich klarere DIN 58208.

Inhaltsverzeichnis

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On 1 Feb 2002, 21:50.