اصول اپتیک هندسی در طراحی عدسی

عدسی عینک ظاهرا یک قطعه شفاف است. اما در بطن این ساختار شفاف، دنیایی پیچیده از ترکیب قوانین اپتیک هندسی قرار دارد. اصولی مانند انحنا سطوح، ضریب شکست، ضخامت، کنترل ابیراهی‌ها و … مواردی هستند که رعایت آن منجر به طراحی‌های مهندسی شده و شخصی‌سازی شده می‌گردد. با پیشرفت تکنولوژی‌های ساخت عدسی عینک، طراحی عدسی مدام در حال بهینه‌تر شدن است. این بهینه‌تر شدن با هدف افزایش وضوح دید، افزایش راحتی با عینک، کاهش دوره سازگاری، کاهش ابیراهی‌ها، کاهش ضخامت و ظاهر زیباتر عینک نهایی صورت می‌گیرد.

در دل هر عدسی عینک از عدسی‌های استوک و تک دید تا به روز‌ترین عدسی‌های تدریجی و شخصی‌سازی شده، ده‌ها جزئیات مهندسی اپتیکی وجود دارد. شناخت این اصول اپتیکی در طراحی عدسی کمک می‌کند تا اپتومتریست بتواند بهترین گزینه را برای هر فرد با در نظر گرفتن منحصر به فرد بودن نسخه و نیازهای بینایی او پیشنهاد دهد.

با ما در این مقاله بیناطب همراه باشید تا کمی درباره طراحی عدسی و اصول اپتیک هندسی عدسی صحبت کنیم.

عدسی عینک و هندسه

زمانی که چشمی دچار عیب انکسار یا خطای شکست نور باشد، از عدسی‌ها برای اصلاح این خطا استفاده می‌شود. انواع عدسی‌های اسفر (کروی) واگرا و همگرا و هدسی‌های سیلندریک(استوانه‌ای برای اصلاح آستیگماتیسم) با تغییر مسیر شکست نور و میزان شکست آن، نور را بر روی شبکیه کانونی می‌کنند.

هر عدسی عینک، دارای دو سطح قدامی (جلویی) و خلفی (پشتی) است. این سطوح دارای انحنا یا خمیدگی هستند که به آن انحنای سطح گفته می‌شود. فاصله این دو سطح ضخامت عدسی را می‌سازد که این ضخامت در وسط و کناره‌های عدسی با هم متفاوت است. بخشی از عدسی دارای حداکثر نمره موثر است که به آن مرکز اپتیکی عدسی می‌گوییم. در این نقطه توان موثر عدسی قرار دارد و جایی است که باید درست در مقابل مردمک چشم قرار بگیرد.

وقتی عدسی در فریم نصب می‌شود با توجه به شکل و طراحی فریم، با یک زاویه خاص نسبت به صورت و چشم قرار می‌گیرد. حتی همین زاویه قرارگیری عدسی نسبت به چشم در بروز ویژگی‌های اپتیکی موثر است.

تمام این موارد ذکر شده که جزو ویژگی‌های اپتیکی و هندسی عدسی هستند، در نتیجه نهایی دید و راحتی با عدسی عینک موثر هستند و منجر به ویژگی‌های خروجی متفاوتی می‌شوند. با تغییر این پارامترها می‌توان انتظار ویژگی‌های متفاوت‌تری داشت.

اصول اپتیک هندسی تعیین می‌کند:

·       نور چگونه شکسته شود و در کجا کانونی شود.

·       تصویر نهایی چقدر شفاف است.

·       میزان ابیراهی‌های یا خطاهای اپتیکی عدسی چقدر است و چگونه کاهش یابد.

·       میدان دید محیطی با عدسی چقدر طبیعی و بدون اعوجاج است و چگونه می‌توان آن را بهبود بخشید.

·       ضخامت و زیبایی ظاهر عدسی چگونه قابل مدیریت است.

اپتیک به معنی دانش نور است. دانشی که تمام مشخصات مربوط به عبور نور و تغییرات آن از محیط‌های مختلف را بررسی می‌کند. جهان اپتیک پر از فرمول است. فرمول‌هایی که ویژگی‌های نور خروجی از محیط عدسی را محاسبه و پیش‌بینی می‌کند. به همین دلیل امکان بهینه کردن طراحی عدسی وجود دارد.

ابیراهی‌های عدسی چیست؟

بین دو سطح عدسی یک فاصله و ضخامت دارای ماده متریال سازنده عدسی وجود دارد و این ماده دارای ضریب شکست خاصی است. از آنجایی که ضخامت عدسی در نواحی مرکزی و کناری یکی نیست، طبیعی است که رفتار عدسی با نور عبوری از مرکز و نور عبوری از کناره‌ها یکسان نباشد. این یکسان نبودن رفتار عدسی با نور مرکزی و نور محیطی عدسی منجر به خطاهایی می‌شود که به آن‌ها ابیراهی گفته می‌شود. این خطاها با افزایش نمره عدسی، با متریال‌های با کیفیت پایین‌تر، طراحی نامناسب، فاصله نامناسب و شیب عدسی از چشم و … بیشتر می‌شوند.

ضخامت عدسی و تفاوت ضخامت مرکز و کناره عامل اصلی ایجاد ابیراهی‌ها هستند. تصور کنید اگر این امکان وجود داشت که عدسی‌ای تولید شود که این ضخامت را نداشته باشد، تقریبا هیچ‌یک از ابیراهی‌ها رخ نمی‌دادند. البته شاید برای شما بسیار جالب باشد که ایده چنین عدسی‌ای در قالب یک اختراع نوآورانه در حال حاضر نیز وجود دارد. برای اطلاعات بیشتر در مقالات بعدی ما همراه باشید.

این ابیراهی عبارتند از:

·       ابیراهی کروی

·       ابیراهی رنگی

·       کما (Coma)

·       آستیگمات ناخواسته

·       انواع اعوجاج‌های تصویر

یکی از مواردی که در بهینه کردن طراحی عدسی در نظر گرفته می‌شود، کاهش این ابیراهی‌ها است. کاهش ابیراهی‌های عدسی باعث دید واضح‌تر، میدان دید محیطی وسیع‌تر و راحتی بینایی بیشتر می‌گردد.

سه اصل کلیدی هندسی در طراحی عدسی

1.   انحناهای سطحی: میزان انحنا یا خم‌شدگی هر دو سطح قدامی و خلفی. انحنا سطح عدسی سرعت تغییر مسیر نور و میزان شکست نور را تعیین می‌کند. انتخاب اشتباه منحنی پایه عدسی می‌تواند منجر به افزایش ابیراهی‌ها و اعوجاج بینی ‌شود.

2.   مسیر پرتو: مسیر ورود و خروج نور از عدسی تعیین‌کننده وضوح دید، راحتی و وجود اثرات منشوری است. این مسیر باید به گونه‌ای باشد که پرتوهای موازی نور در نقطه کانونی صحیح جمع شوند و از مرکز اپتیکی یا نقطه مرجع عدسی وارد چشم شوند.

3.   ضخامت مرکزی و لبه‌های عدسی: ضخامت عدسی در واقع فاصله دو سطح جلویی و پشتی است. ضخامت عدسی در کیفیت دید، میزان ابیراهی‌ها و نیز در زیبایی عدسی تاثیر گذار است. هندسه و اپتیک مناسب با کنترل ضخامت به ویژه در نمرات بالا مواجه است.

فیزیک اپتیک، جهان فرمول هاست. از توان موثر عدسی تا محاسبه ضخامت قابل پیش‌بینی و… همه در فرمول‌های فیزیک اپتیک درباره نور و عدسی‌ها قرار می‌گیرد. مواردی مثل قانون اسنل(قانون شکست نور در مرز دو محیط)، معادله دیوپتر و فاصله کانونی، طراحی آسفریک و آتوریک، طراحی فری فرم (Free Form)، طراحی ردیابی پرتو نور(Digital Ray Pathing) و انتخاب انحنا پایه(Base Curve) مناسب برخی از اصول اپتیک هندسی در طراحی عدسی‌های امروزی هستند.

با ورود تکنولوژی فری فرم به صنعت اپتیک، چهره این صنعت برای همیشه دگرگون شد. با استفاده از نرم افزارهای طراحی و ماشین آلات ساخت این تکنولوژی، هزاران نقطه در سطح عدسی محاسبه و نمره‌زنی می‌شود، مسیر تک تک پرتوهای نور عبوری از عدسی شبیه‌سازی می‌شود و بهترین طراحی هندسی عدسی برای یک فرد به صورت انحصاری و شخصی‌سازی شده بهینه می‌شود.

چرا اصول هندسی در طراحی عدسی مهم است؟

1.   کاهش خطاهای اپتیکی و ابیراهی‌ها: با توجه به ضخامت عدسی و انحنای دو سطح قدامی و خلفی ممکن است خطاهایی در عبور نور از عدسی رخ دهد. طراحی هندسی دقیق و بهینه عدسی باعث می‌شود ابیراهی‌ها به حداقل برسند و دید فرد حتی از لبه‌ها و میدان محیطی نیز بدون اعوجاج باشد.

2.   حفظ و بهبود کیفیت دید در کناره‌های عدسی: درست است که مرکز عدسی بهترین و دقیق‌ترین دید را تامین می‌کند. اما فرد استفاده کننده از عینک طبی فقط از مرکز عدسی نگاه نمی‌کند، بلکه از نقاط خارج از مرکز هم برای دید پیرامونی خود بهره می‌برد. به همین دلیل بسیار اهمیت دارد که طراحی هندسی در جهت بهبود دید محیطی از کناره‌های عدسی بهینه شود. طراحی هندسی مناسب عدسی با هدف کاهش افت کیفیت تصویر در حاشیه عدسی، کنترل اعواج تصویر در نمره‌های بالا و کاهش احساس شناوری یا پرش تصویر در عدسی‌های تدریجی صورت می‌گیرد.

3.   زیبایی و ظرافت عدسی: در نمرات بالا، علاوه بر چالش حفظ کیفیت دید، با چالش ظاهر عدسی نیز روبرو هستیم. نمرات بالا حتی در ضریب شکست‌های فشرده ممکن است همچنان ظاهر نامطلوب با ضخامت زیاد عدسی داشته باشند. همچنین میزان ابیراهی‌های اپتیکی با افزایش نمره عدسی افزایش قابل توجهی می‌یابد. طراحی‌های مدرن با تکیه به تکنولوژی‌های به‌روز در جهت کاهش ضخامت و افزایش ظرافت و زیبایی عدسی گام برمی‌دارند. در طراحی بهینه، انتخاب بهترین انحنا عدسی، بهترین قطر موثر و چگونگی تولید برای کاهش ضخامت مرکزی یا کناری عدسی لحاظ می‌شود.

4.   کاهش خطای ناشی از فریم: همواره یک جفت عدسی از طریق فریم عینک روی صورت قرار می‌گیرند. این فریم با یک انحنا نسبت به صورت (Wrap Angle) قرار می‌گیرد. همچنین طراحی و شکل فریم باعث می‌شود عدسی با یک زاویه و شیب خاص (شیب پانتوسکوپیک Pantoscopic Tilt) و یک فاصله خاص نسبت به چشم (Vertex Distanceفاصله ورتکس) در مقابل چشم قرار بگیرد. در صورتی که کنترلی بر موارد مربوط به فریم نباشد، همین موارد می‌توانند موجب خطا در نحوه ورود نور از عدسی به داخل چشم شوند. در طراحی مدرن عدسی تمام اطلاعات مربوط به نحوه قرارگیری فریم روی صورت و زاویه و فاصله عدسی از چشم لحاظ می‌گردد.

5.   بهینه‌سازی برای سبک زندگی: شاید امروزه هنوز هم بیشترین سهم بازار عدسی مربوط به عدسی‌های استوک باشد، اما روند طراحی عدسی‌ها به سمت افزایش سهم عدسی‌های شخصی سازی پیش می‌رود. عدسی‌های نوین فقط یک عدسی دارای نمره نیستند. بلکه به صورت انحصاری و شخصی‌سازی شده برای هر فرد و براساس اطلاعات نسخه، اطلاعات فریم و سبک زندگی فرد طراحی و ساخته می‌شوند. سبک زندگی‌های مختلف امروزی، نیازهای بینایی متفاوتی را به وجود آورده است. برطرف کردن نیاز بینایی تمام افراد جامعه با یک نوع عدسی ممکن نیست. به همین دلیل عدسی‌ها بر اساس سبک زندگی افراد، شغل، تفریحات و سرگرمی‌های روزانه آن‌ها طراحی و تولید می‌شوند. عدسی مناسب برای یک جراح با نیاز به دید بسیار دقیق در فاصله کار نزدیک، یک خلبان با دید نزدیک در میدان بالا، یک ورزشکار، یک راننده ماشین‌های سنگین با ساعات طولانی رانندگی شبانه روزی، یک کودک دچار میوپی پیش‌رونده و یک کارمند بانک با نیاز به دیدن فواصل مختلف در اتاق اداری، کاملا متفاوت است. هر کدام از این افراد به یک طراحی منحصر به فرد و متفاوت با بقیه نیاز دارند.

موارد مهم طراحی عدسی

هرچه پارامترهای بیشتر و موثرتری در مرحله طراحی و محاسبه عدسی لحاظ شود، عدسی نهایی دارای کیفیت و وضوح دید بیشتر، راحتی بینایی بیشتر، ابیراهی‌های کمتر و ظاهر زیباتری خواهد بود.

موارد زیر در طراحی عدسی عینک اهمیت دارند:

1.   نوع نسخه: نوع و میزان عیب انکسار، تعیین عدسی مناسب (آسفریک، آسفریک و توریک)، انتخاب بیس کرو یا منحنی پایه مناسب، محاسبه ضخامت مرکز و لبه‌ها

2.   انتخاب فریم: اندازه فریم، شکل زوایای فریم

3.   فیتینگ: اطلاعات فیتینگ مربوط به نحوه قرارگیری فریم و عدسی در مقابل چشم است: خم‌شدگی فریم یا Wrap angle، شیب پانتوسکوپیک (شیب عدسی نسبت به چشم)، فاصله ورتکس خلفی (فاصله عدسی از چشم)، ارتفاع فیتینگ تک چشمی (محل قرارگیری مردمک در فریم)، PD تک چشمی( فاصله بین مردمکی)، منطقه دید دور و نزدیک.

4.   انتخاب متریال عدسی: ضریب شکست(1.5,1.6,1.67,1.74,…) و نوع متریال: انتخاب باید بر اساس نسخه، نوع فریم و وزن مورد نیاز صورت گیرد.

5.   انتخاب کوریدور در عدسی‌های تدریجی: طول کوریدور، انتخاب طراحی سافت یا هارد، توزیع قدرت، کنترل swim یا شناوری تصویر

در دل عدسی‌های امروزی، ده‌ها جزئیات مهندسی اپتیکی وجود دارد. شناخت این اصول اپتیکی در طراحی عدسی کمک می‌کند تا اپتومتریست بتواند بهترین گزینه را برای هر فرد با در نظر گرفتن منحصر به فرد بودن نسخه و نیازهای بینایی او پیشنهاد دهد.

سخن پایانی

امروزه طراحی عدسی عینک یک فرآیند بسیار دقیق مبتنی بر اصول فیزیک اپتیک است. بهینه کردن طراحی عدسی باعث وضوح دید بیشتر، کاهش ابیراهی ها، راحتی بینایی، دید طبیعی‌تر و ظاهر زیباتر عدسی و عینک نهایی می‌گردد. این أصول در تمام مراحل سفارش و ساخت عدسی باید لحاظ گردند. اپتومتریست در کنار نقش بالینی در تجویز عینک دقیق، مسئولیت دارد بهترین گزینه‌ها در طراحی عدسی برای سبک زندگی و نسخه بیمار را پیشنهاد دهد. یک مشاوره دقیق و حرفه‌ای با اپتومتریست یا عینک‌ساز مجرب می‌تواند بهینه‌ترین عدسی عینک را برای شما به ارمغان آورد. عدسی که در سفارش آن تمام موارد مربوط به نسخه، فریم، انتخاب متریال و دیزاین عدسی، فیتینگ و اندازه‌گیری‌های دقیق لحاظ شده است.

نویسنده: اپتومتریست زهره محمدی، کارشناس ارشد اپتومتری