Ik heb op sociale media behoorlijk wat discussie gezien over "freeform"-lenzen. Veel daarvan leek me onjuist, dus ik dacht dat het de moeite waard zou zijn om er hier over te praten. De meeste aanbieders van optische producten gebruiken de term freeform voor multifocale lenzen (PAL's) die worden geproduceerd door complexe krommingen, inclusief het progressieve sterktevlak, te snijden aan de achterkant (oculaire kant) van half afgewerkte enkelvoudige lenzen.
Veel opticiens en andere professionals hebben nog nooit de binnenkant van een slijplaboratorium gezien, dus laten we eerst eens kijken hoe lenzen traditioneel worden geslepen. Ik geef je hier een algemeen overzicht, met alleen de belangrijkste stappen (dus, voor mijn mede-laboranten: ik weet dat ik een paar details weglaat, maar ik denk niet dat ze relevant zijn voor dit onderwerp).
Bestellingen komen op verschillende manieren bij laboratoria binnen, maar tegenwoordig komen ze meestal binnen via een geïntegreerde optisch labbeheersysteem (LMS), zoals innovaties. Naast het bepalen van de prijs en de facturering van de bestelling, bepaalt het LMS doorgaans welke blanks gebruikt moeten worden en, indien de lenzen geslepen moeten worden, hoe de "halffabrikaten" geslepen moeten worden om zo dun mogelijke lenzen te produceren, rekening houdend met de eisen van de bestelling en de wettelijke of conventionele normen die van toepassing zijn met betrekking tot dikte en slagvastheid.
Half afgewerkte lensblokken hebben een afgewerkt voorvlak, dat bolvormig kan zijn (hoewel het in het verre verleden niet ongebruikelijk was dat half afgewerkte lensblokken torische voorvlakken hadden, die werden gebruikt om enkelvoudige lenzen in de vorm van een 'pluscilinder' te produceren); ze kunnen segmenten hebben die zich op de voorvlakken bevinden (in het geval van multifocale lenzen met platte bovenkant en ronde segmenten); of ze kunnen complexe topologieën met progressieve additie hebben.
Traditionele lensoppervlakte: de vier stappen
Bij de traditionele lensproductie (ook wel surfacing genoemd) zijn er vier hoofdstappen: blokkeren, genereren, fineren (ook wel smoothen genoemd) en polijsten. Hieronder volgt een kort overzicht van elke stap:
- Het blokkeren van: Hierbij wordt een voorwerp aan het afgewerkte vooroppervlak van de lens bevestigd met behulp van verschillende materialen (vaak een legering met een laag smeltpunt, maar de laatste tijd worden ook verschillende harsen en lijmen gebruikt). Deze materialen hechten zich aan de ene kant aan het blok en aan de andere kant aan de lens. Het blok dient als hulpmiddel om de lens in de machines te houden.
- genereren: Het snijdt een bolvormig of torisch oppervlak aan de achterkant van de plaat. In de loop der jaren zijn generatoren overgestapt van slijpgereedschappen met een bekervormig slijpmechanisme naar frees- en snijgereedschappen, die nauwkeurigere torische oppervlakken konden snijden. Toch zijn de geproduceerde oppervlakken in alle gevallen vrij ruw, waardoor de volgende stap, "fining" ("smoothing" in het Verenigd Koninkrijk), noodzakelijk is.
- Gladmaken (fijnmaken): Dit proces omvat het wrijven van het gegenereerde oppervlak over een "lap" (ook wel "gereedschap" genoemd) – een nauwkeurig bewerkt metalen gereedschap met de gewenste rondingen. Tegenwoordig zijn ooglenzen bijna altijd van plastic, en zijn schuursponsjes die aan het oppervlak van de lap worden bevestigd voldoende om de oppervlakken glad te maken tot een punt waarop ze gepolijst kunnen worden. Een waterstraal gericht op het grensvlak tussen lens en lap verwijdert de fijne deeltjes die door de werking van het schuurmiddel worden geproduceerd.
- polijsten: Een proces dat vrijwel identiek is aan het polijsten (de machines zijn zelfs identiek), behalve dat in plaats van de schuurpad een zachte, poreuze pad wordt gebruikt. In plaats van water wordt een polijstmiddel gebruikt dat bestaat uit zeer fijne deeltjes in water. Het pad wordt verzadigd met het polijstmiddel, wat zorgt voor de benodigde werking om een glanzend, spiegelend oppervlak te creëren.
Dit vierstappenproces voor het slijpen van lenzen bleef decennialang fundamenteel hetzelfde. Er waren echter voortdurende verbeteringen in materialen en technieken die het slijpen efficiënter en nauwkeuriger maakten.
De ontwikkeling van schuurpads voor het fineren van glas in het begin van de jaren 1970 was revolutionair en droeg er aanzienlijk aan bij dat kunststof in dat decennium glas inhaalde. Oorspronkelijk was een tweestaps fineerproces noodzakelijk; in de eerste stap werd een agressief schuurmiddel (meestal siliciumcarbide) gebruikt om niet alleen het oppervlak glad te maken, maar ook om eventuele onnauwkeurigheden in het oppervlak te corrigeren (onnauwkeurigheden kwamen vaak voor vanwege het gebruik van komvormige slijpgereedschappen in de generatoren van die tijd). Hoewel sommige komvormige generatoren redelijk gladde oppervlakken konden produceren (maar alleen door heel langzaam te draaien), konden ze geen zeer nauwkeurige torische oppervlakken produceren. In de tweede fineerstap werd een fijner, zachter schuurmiddel (meestal aluminiumoxide) gebruikt.
Eind jaren 1980 verschenen de eerste frees- en draaibankgeneratoren in optische laboratoria. Deze konden oppervlakken direct bewerken met een veel grotere vormnauwkeurigheid dan de oudere slijptechnieken – wat betekent dat ze zeer precieze torische en complexe krommingen konden produceren. Aanvankelijk waren de oppervlakken van deze CNC-generatoren nog enigszins ruw, maar naarmate de technologie verbeterde, bereikten ze gladdere resultaten.
Naarmate deze generatoren zich verder ontwikkelden, konden ze uiteindelijk een oppervlak produceren dat zo glad was dat het direct gepolijst kon worden, zonder enige fineerstap. Deze mogelijkheid werd bekend als "cut-to-polish". Vroege cut-to-polish-systemen gebruikten nog steeds de traditionele, stijve slijpschijven voor de laatste polijststap, maar de oppervlaktebewerkingskant van het bedrijf realiseerde zich al snel iets baanbrekends: als je direct polijstbare oppervlakken kon genereren, was je niet langer beperkt tot eenvoudige bollen en torische slijpstenen. Het leek plotseling haalbaar om veel complexere oppervlaktegeometrieën te produceren – en toen begon vrije vorm als een haalbaar doel te worden gezien.
Van Cut-to-Polish tot Freeform Progressives
Voordat het mogelijk werd om te polijsten, toen mensen in het veld de verbeteringen in vormnauwkeurigheid en oppervlakteruwheid zagen die generatoren konden produceren, gingen hun gedachten uit naar wat tot dan toe een soort "Heilige Graal" was. Wat als progressieve lensoppervlakken met deze oppervlaktekwaliteit zouden kunnen worden geslepen, aan de oculaire kant van sferische, half afgewerkte lensoppervlakken?
De aantrekkingskracht van een dergelijke mogelijkheid was duidelijk: halfafgewerkte enkelvoudige blinds waren (en zijn nog steeds) veel goedkoper dan halfafgewerkte progressieve blinds. Bovendien zou het aantal verschillende halfafgewerkte enkelvoudige blinds dat op voorraad zou moeten worden gehouden (zeven tot twaalf verschillende basiskrommen) een fractie zijn (doorgaans een negende, aangezien er negen gemeenschappelijke additiekrachten zijn) van het aantal verschillende halfafgewerkte progressieve blinds dat moet worden aangehouden (zeven tot twaalf basiskrommen maal negen additiekrachten), als progressieve oppervlakken met verschillende addities op aanvraag zouden kunnen worden geproduceerd.
Kortom, freeform progressieven beloofden aanzienlijke kostenbesparingen in de lensproductie doordat ze elke lens op bestelling maakten in plaats van te werken met een voorraad van voorgevormde lenzen.
Twee hulpmiddelen ontbreken nog steeds
Om deze ambities in de praktijk te brengen, waren twee aanvullende innovaties nodig.
Innovatie #1: Polijsten van complexe oppervlakken
De eerste uitdaging zat in het polijstproces. Terwijl generatoren polijstbare oppervlakken konden snijden, maakte het bestaande proces gebruik van slijpschijven (ook wel "gereedschappen" genoemd) die tot sferische of torische krommingen werden gesneden. De corresponderende sferische of torische oppervlakken van de te polijsten lenzen konden tegen de slijpschijven worden gewreven met een licht schurende polijstslurry en een pad tussen het lensoppervlak en het slijpschijfoppervlak. Deze bewegingen waren complex en willekeurig genoeg om lokale fouten in de oppervlakken te voorkomen, die anders zouden kunnen ontstaan door onregelmatigheden in het slijpschijf- of padoppervlak.
Dat soort beweging kon niet worden gebruikt voor een complexer oppervlak, zoals een progressief elektrisch oppervlak. De golvingen in het oppervlak verhinderen het gebruik van die wrijvende beweging. De oplossing bleek iets heel eenvoudigs: het gebruik van "conforme" polijstschijven, die werden gedraaid in machines die aanvankelijk veel leken op ouderwetse "bol"-machines. Deze laatste maakten gebruik van paddenstoelvormige metalen schijven, die op hun "stelen" draaiden (om de metafoor uit te rekken); een lens die aan één kant van de schijf, onder de top, tegen de schijf werd gehouden, zou draaien dankzij de verschillende snelheden van het draaiende oppervlak dichter bij het midden van de draaiende schijf, waar de rotatiesnelheid uiteindelijk tot nul daalt, ten opzichte van de buitenrand.
De combinatie van de kromlijnige beweging van het draaiende polijstoppervlak, de roterende draaibeweging van de lens en een derde beweging die de draaiende lens over het polijstoppervlak bewoog van nabij de rand naar nabij het midden, resulteerde in een zeer efficiënte, gerandomiseerde beweging. Sommige van de eerste freeform polijsters gebruikten die beweging met een grote, bolvormige polijstschijf, waarvan het oppervlak zich kon aanpassen aan het onregelmatige oppervlak van de lens (vandaar "conformant"). De conformerende polijstschijven verkregen hun vermogen om zich aan te passen aan het golvende, progressieve oppervlak door een laag samendrukbaar materiaal, vergelijkbaar met een dichte spons of schuim, die tussen de basis van de polijstschijf en de polijstpad zat. Deze laag zorgde ervoor dat het polijstoppervlak zich gedurende het hele proces kon aanpassen aan het onregelmatige (dat wil zeggen, niet-bolvormig, niet-torisch, asymmetrische) lensoppervlak.
Kleine diafragma-ronden: betere conformiteit
Verdere verfijning van dit proces kwam in de vorm van zogenaamde 'small-aperture'-ronden, ronden met een diameter kleiner dan de lenzen – in de orde van een derde tot de helft van de diameter van de lenzen. Dit vereiste dat de machines complexer werden om de bewegingen te produceren die nodig waren voor een gelijkmatige, gerandomiseerde behandeling van het lensoppervlak. De ronden met een kleinere diameter pasten zich echter beter aan de onregelmatige, progressieve oppervlakken aan dan de grote, waardoor de conforme ronden met een kleine diafragma-opening alomtegenwoordig zijn geworden.
Innovatie #2: Data- en communicatiestandaarden
De combinatie van generatoren die polijstbare oppervlakken konden produceren, en conforme polijstmachines, maakte de productie van complexe oppervlakken op lenzen haalbaar. Er was echter een extra innovatie nodig om het proces praktisch te maken. Dit betrof namelijk beschrijvingen van oppervlakken die de generatoren, en tot op zekere hoogte de polijstmachines, konden 'begrijpen' om de oppervlakken te kunnen produceren.
De oppervlakken zelf waren anders dan alles wat commercieel geproduceerd was. Bedenk dat het oorspronkelijke doel was om een progressief oppervlak te produceren aan de oculaire (achterkant) van een halfafgewerkte enkelvoudige blindplaat. Hoewel het mogelijk zou zijn geweest om een progressief ontwerp zoals geproduceerd aan de objectzijde (voorkant) van progressieve blindplaten op de achterkant te repliceren, moet het duidelijk zijn dat het progressieve oppervlak gecombineerd moest worden met een "correctievlak" om bruikbare lenzen te verkrijgen. Bovendien zouden de gecombineerde oppervlakken aangepast moeten worden om de lensdikte en variaties in de voorkant van de gebruikte blindplaten te compenseren. Het bepalen van het gewenste oppervlak vereiste, en vereist nog steeds, een individuele berekening van de oppervlakken voor elke bestelling.
Gelukkig is er al vroeg in dit proces een standaard voor communicatie tussen optische Labbeheersoftware (LMS), Lens Design Software (LDS) en apparatuur met vrije vormmogelijkheden werd gecreëerd door de bestaande Data Communicatiestandaard om de nieuwe benodigde gegevensuitwisselingen mogelijk te maken. Het LMS zou met het LDS kunnen communiceren om het oppervlakteontwerp te verkrijgen en dit indien nodig naar de machines te sturen, waardoor freeform-technologie commercieel haalbaar en uiteindelijk mainstream zou worden.
