ISO/TR 18476:2017
(Main)Ophthalmic optics and instruments — Free form technology — Spectacle lenses and measurement
Ophthalmic optics and instruments — Free form technology — Spectacle lenses and measurement
ISO/TR 18476:2017 outlines all the steps from refraction to dispensing of spectacles, with particular attention to the benefits added by using free form technology, and provides a collection of relevant terms and descriptions. ISO/TR 18476:2017 does not contain the proprietary features of lens designs provided by suppliers.
Optique et instruments ophtalmiques — Technologie free form — Verres de lunettes correctrices et mesure
ISO 18476:2017 présente toutes les étapes de la réfraction à la livraison de lunettes correctrices, avec une attention particulière portée aux avantages procurés par l'utilisation de la technologie free form, et donne un recueil des termes et descriptions applicables. ISO 18476:2017 n'inclut pas les spécificités exclusives des designs de verres offerts par les fabricants.
General Information
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 18476
First edition
2017-06
Ophthalmic optics and instruments —
Free form technology — Spectacle
lenses and measurement
Optique et instruments ophtalmiques — Technologie free form —
Verres de lunettes et mesurage
Reference number
©
ISO 2017
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Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Technical introduction . 1
4.1 Preliminaries . 1
4.2 What is free form? . 1
4.3 Does free form equal better vision? . 2
4.4 Classification . 2
5 Manufacturing . 3
5.1 General . 3
5.2 Conventional surfacing . 4
5.3 Free form surfacing . 5
5.4 Comparison of conventional and free form manufacturing . 6
6 Potential benefits of free form lens calculation . 7
6.1 Oblique astigmatism . 7
6.2 Limitations of conventional lenses . 9
6.3 Potential benefit of free form lens design .10
6.4 Optimization for prescription .11
6.5 Customization for the as-worn position .12
6.5.1 Explaining the as-worn position .12
6.5.2 As-worn position and verification power .13
6.6 Customization for the frame size .14
6.7 Personalization of the lens design .15
7 Measurement and quality control .16
7.1 Lens performance .16
7.2 Conformity with standards .16
7.3 Design integrity and process control .17
7.3.1 General.17
7.3.2 Surface shape measurement .17
7.3.3 Through power measurement .17
7.4 Measuring the as-worn position .18
7.5 Inspection gates of the manufacturing process .21
Annex A (informative) Typical dispensing flowchart .22
Annex B (informative) Measurement technology .23
Annex C (informative) Glossary of terms and their descriptions .28
Bibliography .30
Foreword
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through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
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SC 7, Ophthalmic optics and instruments.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 18476:2017(E)
Ophthalmic optics and instruments — Free form
technology — Spectacle lenses and measurement
1 Scope
This document outlines all the steps from refraction to dispensing of spectacles, with particular
attention to the benefits added by using free form technology, and provides a collection of relevant
terms and descriptions.
This document does not contain the proprietary features of lens designs provided by suppliers.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
4 Technical introduction
4.1 Preliminaries
4.1.1 There are various ways of spelling the term “free form”. This document uses two separate words.
4.1.2 There are various terms explaining spectacle lens optical power design which are commonly
used such as “optical function”, “optical characteristics”, “optical properties”, or “design property”. For
purpose of simplicity, this document uses the word “characteristics”. The phrase “optical properties” is
used simply to describe the optical results of the geometry of the lens, but not an intended design or
characteristic.
4.1.3 A typical flowchart including refraction, dispensing and manufacturing is shown in Figure A.1
(see Annex A).
4.1.4 A glossary of terms and their descriptions is provided in Annex C.
4.2 What is free form?
In ophthalmic optics, the term “free form surfacing” refers to a spectacle lens surfacing process that is
capable of producing continuous, smooth, non-symmetrical lens surfaces that lack point, axial or plane
symmetry and are described by three-dimensional coordinates created by mathematical formulation.
This design and surfacing process enables optimization of the lens performance.
Conventional lens surfacing technology which smooths and polishes using hard lap tools can produce
only simple spherical or toroidal lens surfaces.
Modern free form lens surfacing methods are now capable of generating surfaces that are much more
complex than simple spherical and toroidal surfaces, allowing local optical laboratories to manufacture
progressive-power and other lens designs directly onto the lens blank with the required prescription
curves. In order to produce these complex surface shapes, free form surfacing utilizes precise, computer-
driven control of the cutter with three or more axes of movement. Often, the surface is machined using
single-point diamond turning and then polished using flexible lap tools.
A “free form process” can thus be summarized as a lens surfacing process using Computer Numeric
Control (CNC) devices capable of producing a free form surface with optical characteristics on either or
both side(s) of the lens.
It should be noted that when simpler surfaces that can be manufactured by conventional methods are
produced by free form processing, these simpler surfaces should not be termed free form surfaces nor
the resulting lenses free form lenses.
4.3 Does free form equal better vision?
As an enabling technology, free form surfacing makes possible the application of optical characteristics,
using information specific to the individual wearer, immediately prior to lens manufacture.
The use of free form surfacing as a manufacturing method does not guarantee any visual benefit to the
wearer. It is true that the soft lap tool polishing process used during free form surfacing is not subject to
the rounding errors of conventional lens surfacing. Conversely, it can maintain an accurately generated
free form surface. Hence, soft lap polishing actually relies on more extensive process engineering and
quality control in order to achieve high quality lens surfaces.
Free form surfacing provides a powerful vehicle for overcoming the limitations of conventional semi-
finished lens manufacturing when utilized in conjunction with sufficiently advanced optical design
software by delivering lenses custom-designed for the specific visual requirements of the individual
wearer. It becomes possible to optimize the optical design of the lens individually (i.e. upon the exact
prescription power and orientation of the fitted lens) before the lens is actually manufactured, in order
to preserve the intended optical lens characteristics for each and every wearer.
In addition to preserving the intended optical lens characteristics for any combination of prescription
power or as-worn position, it is also possible to customize other features of the lens design for the
individual wearer. The lens can be adapted further in order to modify the corridor length for the fitting
height in small increments, optimize the viewing zones for occupational demands, and adjust peripheral
power gradients for the head-eye movement behaviour, and so on. It is important to note, however, that
only custom-designed free form lenses will offer this level of sophistication and design properties for
the wearer.
Nevertheless, without the application of real-time optical design to optimize the lens design for the
individual wearer, the potential visual advantages of using free form surfacing are relatively small.
4.4 Classification
With free form surfacing, an optical laboratory can surface a variety of lens designs directly onto a
semi-finished lens blank in addition to the prescription curves that are normally applied. With two
separate surfaces to work with, the optical characteristics, addition power, if any, and prescription
components of a free form lens can be applied to the lens blank in a variety of possible lens surface
configurations. Each type of free form lens represents a particular combination of factory-moulded and
directly-surfaced lens curves. The lens surfaces involved range in complexity from simple spherical
surfaces to individually-optimized progressive power surfaces that simultaneously fulfil all of the
prescription requirements of the wearer.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
When free form surfacing is used to transfer the optical characteristics onto the lens blank, free form
progressive-power lenses may be classified by the distribution of the optical characteristics between
the front and back surfaces (see Figure 1).
a) Front surface free form lenses (A in Figure 1) employ a directly-surfaced progressive surface with
the full addition power on the front and conventionally-surfaced prescription curves on the back.
The progressive optics are surfaced directly onto the lens. While less common, this configuration
may, for instance, be utilized to achieve broader prescription ranges.
b) Dual-surface free form lenses (B in Figure 1) employ a factory-moulded (or, in some cases, a directly-
surfaced) progressive-like surface with a component of the total addition power on the front and
a digitally-surfaced progressive surface with, for instance, the remaining addition power that
has been combined with the prescription curves on the back. The progressive-power optics are
distributed between both lens surfaces.
c) Back-surface free form lenses (C in Figure 1) employ a factory-moulded spherical surface on the
front and a directly-surfaced progressive surface that has been combined with the prescription
curves on the back. The progressive lens design may be a standard (fixed) design or an optically-
optimized design.
For the purpose of simplicity, the rest of this document will refer only to full back surface lenses (C in
Figure 1).
NOTE Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 1 — Classification of free form progressive-power lenses by the distribution of the
addition power between the front and back surfaces
5 Manufacturing
5.1 General
Whatever the process used to manufacture the lens, the lens manufacturing cycle is the same. The
general lens manufacturing flow is described in Figure 2.
Figure 2 — General lens manufacturing flow with semi-finished lens blanks and surfacing
5.2 Conventional surfacing
Conventional surfacing is a four-step process for finishing the unfinished back surface of a semi-
finished lens blank with the required prescription curves (see Figure 3). Semi-finished lens blanks have
an optical-quality front surface that has been moulded by a manufacturer.
In the first step termed “blocking”, the semi-finished lens blank is mounted by its finished surface on a
support to hold it for the next three steps.
In the second step, the unfinished surface of the lens is machined by a generator to approximately the
required shape using a grinding, turning or milling process.
In the third step, known as fining or smoothing, the worked surface is ground to the precise surface
shape by a toroidal smoothing/polishing machine that rapidly moves the lens surface in a cyclical
motion over a hard lap tool fitted with abrasive pads that matches the intended curvature of lens
surface. This brings the lens surface to a quality suitable for polishing.
In the fourth and final manufacturing step, known as polishing, the abrasive pad is replaced by a polishing
pad. The lens surface is once again cycled over the hard lap tool in a toroidal smoothing/polishing
machine, while the pad is soaked with polishing slurry. The lens is then “de-blocked”.
See Figure 3 a) and b). In Figure 3 b) the hard lap tool copies the fixed two principal meridians’
curvatures to the lens’s concave surface.
a) Scheme of conventional surfacing process b) Fining process used in conventional surfacing
Figure 3 — Conventional surfacing process
The simplest generators are two-axis machines that utilize a diamond-impregnated grinding wheel to
generate a spherical or toroidal lens surface. The emphasis of a conventional generating process is on
throughput and rapid removal of lens material. Any inaccuracy in the shape of the generated lens surface
is ultimately corrected during the fining process by the hard lap tool. In particular, the fining process
with hard lap tools exploits the rotational or meridional circular symmetry of spherical or toroidal lens
surfaces, since these surfaces can be cycled over the hard lap tool using a uniform rocking motion that
produces relatively constant fining and polishing pressure over the lens blank [see Figure 3 b)]. The
use of hard lap tools during the fining and polishing processes therefore restricts the range of possible
lens surface shapes to simple spherical and toroidal surfaces. Moreover, in practice, hard lap tools are
only available in discrete increments of surface curvature. Due to the need for reasonable inventory
requirements, hard lap tools are often stocked in eighth-dioptre (0,12 D) or tenth-dioptre (0,10 D) steps
for the sphere power, although larger laboratories may stock tools in 0,06 D steps. This can potentially
result in rounding errors of up to ±0,05 D from the desired surface curvature, which will limit the
4 © ISO 2017 – All rights reserved
accuracy of the prescription power of the surfaced lens and increase the likelihood of failure during a
quality inspection.
5.3 Free form surfacing
In conjunction with the Laboratory Management System (LMS), a Lens Design Server (LDS; computer
and appropriate sophisticated software) is first used to calculate a surface description file (SDF) (also
known as a “points file”) from the prescription and lens order parameters. The points file contains
surface height (and possibly slope) data [see Axis 1 in Figure 4 b)] that characterize the required three-
[7]
dimensional geometry of the lens surface to be cut . The required lens surface is then generated from
the points file using a CNC cutting process. With three or more axes of precisely controlled movement,
the single-point cutting tools of these generators can produce virtually any continuously smooth
surface shape with a high degree of accuracy and smoothness that requires minimal polishing.
The machine may also orientate the cutter to be at right angles to the orientation of the lens surface in
the immediate area in which it is cutting; hence, there may be three or five axis machines, double that if
they can surface the left and right lenses simultaneously.
a) Scheme of free form surfacing process b) Free form CNC machining
Figure 4 — Free form surfacing process
With most free form lenses, the prescription powers are combined into the required lens design, and
[8]
then processed as a single surface onto the back of a semi-finished lens blank, as in Figure 2 . This
allows the fabrication of a lens design and the prescription curves in a single step. The worked lens
surface is then polished by a free form polisher using a soft lap polishing tool that is also dynamically
controlled by a computer. Unlike hard lap tools, which are only available in specific increments of
surface curvature, soft lap tools can polish a lens surface to within very small increments.
Because this technology allows the laboratory to fabricate complex lens design directly onto the lens
blank, free form surfacing is sometimes referred to as direct surfacing. Because free form lens surfacing
relies on computer (points) files that describe the desired surface shape, free form lens surfacing is
also referred to as digital surfacing. However, the term “digital surfacing” is often used more generally
to refer to any lens surfacing process that utilizes free form surfacing equipment, even when surfacing
conventional spherical or toroidal surfaces, which makes the use of this particular term potentially
misleading.
In summary, a conventional surfacing process cannot produce the complex surfaces utilized for
complicated lens designs like progressive-power lenses due to limitations in both the range of possible
surface-shape geometries and the quality of the finished surface produced by conventional generators.
Free form surfacing is, however, a more sophisticated surfacing process that is capable of producing
virtually any continuously smooth surface, including aspheric, atoroidal, and progressive-power
surfaces, in addition to basic spherical and toroidal surfaces. This allows local optical laboratories to
manufacture progressive-power and other complicated continuous surfaces that previously needed
moulding using a mass-manufacturing process.
5.4 Comparison of conventional and free form manufacturing
Table 1 — Comparison of steps of conventional and free from manufacturing
Manufacturing step Conventional process Free form process
— Prescription: SPH, CYL, Axis, addition, — Prescription: SPH, CYL, Axis, addi-
Prism base and value, CD. tion, Prism base and value, CD.
Inputs from order
— Fitting and personalised parameters
— The base curve is selected from the — The base curve is selected from the
prescription according to the Rx range. prescription according to the Rx range.
— The complex surface already exists on — A part of the complexity may exist on
Lens blank selection the front surface of the lens blank. the front surface of the lens blank.
— Number of lens blank stock keeping — Number of lens blank SKUs needed
units (SKUs) needed is high to cover all can be reduced in the case of full back
additions and all prescriptions. surface lenses.
— Simple and limited surfaces: the back — Free form surfaces: the surface of
surface of the lens can be only spherical or the lens can be spherical, toroidal, as-
toroidal because of the surfacing tools. pherical or progressive/degressive-power
or a combination of both or even more
— The optical characteristics are managed
complex.
through the front surface.
— The optical characteristics are man-
— The calculation delivers the radii of
aged through the back surface only (full
curvature and axis of the back surface
back) or through both surfaces (dual).
Calculation of the
and its positioning relative to the front
back surface
surface (thickness and prism). — Usually based on complex ray-trac-
ing algorithms, the calculation delivers
— The output of calculation is rounded
either one surface that will have to be
according to the tooling steps available
made and its positioning relative to the
(e.g. 0,12 D, 0,10 D or 0,06 D).
other surface or both surfaces.
— Output of the calculation is the
exact lens surface target without any
rounding.
Use of a plastic film deposited on the front surface both to protect it and to ensure ad-
Taping
hesion for blocking (not always needed by alternative method, e.g. water soluble spray).
Blocking Mechanical 3D positioning of the blank (centring, axis, tilts, etc.)
— Rough milling. — Rough turning with a rotating cut-
ter disc.
— Use of cup wheel introducing ellipti-
cal errors. — Fine turning with a single point dia-
mond tool.
— Generating of the back surface curva-
Generating
tures. — Cutting machines need high preci-
sion trajectory in high acceleration
— Generated surface can be approximated
conditions.
as the final geometry is given by fining/
polishing tools. — Machined surface has the exact
final expected shape.
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Table 1 (continued)
Manufacturing step Conventional process Free form process
— Smoothing by abrasive pad on rigid This step is not necessary.
tool.
Fining
— Gives the final expected curve.
— Respects the fined surface shape. — Respects the generated shape.
Polishing — Hard polishing with Rigid tool. — Soft polishing with flexible tool.
— 1 tool = 1 spherical or toroidal surface. — 1 tool = infinity of surfaces.
For spherical front surface semi-finished
lens blank, generally done on the back
Generally put on the front surface of the
Engraving surface of the finished lens, although
semi-finished lens blank
some free form lenses uses pre-engraved
semi-finished lens blanks.
There has been a steady process in improving conventional surfacing. Lap tools may be cut on re-
usable or disposable laps, thus avoiding the need to keep such tools in fine steps. More sophisticated
lens surface generators can produce more accurate surfaces that do not necessarily require hard lap
polishing.
Differences between the two processes also exist in terms of power/prism conformity and integrity
of the intended surface (see Table 2). Consequently, a specific process control is needed for a free form
process to ensure integrity of the intended surface.
Table 2 — Power/prism conformity and integrity of the intended surface shape
Conventional process Free form process
Integrity of the intended surface is guaranteed by Integrity of the intended surface also relies on the back side
controlling moulds, inserts and the semi-finished manufacturing phase: responsibility mostly (fully in case
lens manufacturing process Distance vision and of full back side) transferred to laboratories
prism reference point (PRP) prism conformity
— Distance vision and prism reference point (PRP)
guaranteed by laboratories.
prism conformity guaranteed by laboratories.
6 Potential benefits of free form lens calculation
6.1 Oblique astigmatism
When the line of sight passes through the lens at an angle to the optical axis of the lens, an optical
aberration known as oblique astigmatism is produced due to the oblique refraction of light rays through
the lens. Oblique astigmatism results in unwanted spherical and cylindrical power errors that are
perceived by the wearer as deviations from the desired prescription. Oblique astigmatism is introduced
when either the lens is tilted with respect to the wearer due to the fit of the frame or the wearer views
an object through the periphery of the lens. In either case, the line of sight forms an angle to the optical
axis of the lens that can result in an astigmatic focus that departs from the intended focus, if the lens
design does not adequately account for this effect (see Figure 5).
NOTE Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 5 — Degradation of the image because the line of sight is not along the optical axis of
the lens
Oblique astigmatism does not occur when the line of sight coincides with the optical axis of the lens and
the object is seen clearly (see Figure 5):
a) line of sight aligned to the optical axis of the lens gives a good image (A in Figure 5);
b) blurred image with tilted lens (B in Figure 5);
c) blurred image with oblique line of sight (C in Figure 5).
For spherical prescriptions, oblique astigmatism introduced during off-axis vision can be eliminated by
selecting a spherical front curve that corresponds to a Tscherning’s ellipse for a given set of lens design
[9]
parameters. See the example in Figure 6 which represents the power of the lens’s convex surface
needed in distance vision to eliminate oblique astigmatism when the line of sight is rotated 30° to the
optical axis. For a prescription of −5,00 D, the power of the convex surface will need to be about either
+3,50 D or +17,00 D.
This results in a best form lens design. Alternatively, an aspheric lens design can be utilized, which
frees the lens designer from the relatively steep lens form requirements of Tscherning’s ellipse in order
to provide flatter, thinner lenses. However, as with best form lenses, each spherical power requires a
separate aspheric lens design.
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Values in dioptres
NOTE Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 6 — Tscherning’s ellipse
Best form and aspheric lenses are rotationally-symmetrical lens designs that can correct for oblique
astigmatism fully only when the lens design precisely matches the design required for the sphere
power of the prescription and the prescription does not require cylindrical power. In order to correct
the oblique astigmatism in sphero-cylindrical lenses with prescribed cylindrical power, an atoroidal
lens design should be utilized, which has asphericity that differs in the two principal meridians of
[10] [11].
the lens . Over 75 % of prescriptions in the USA include cylindrical power Lenses with prism,
progressive-power, addition power, as-worn pantoscopic or face form angles, or other optical variables
[12].
can require designs of even greater complexity
6.2 Limitations of conventional lenses
An optical laboratory fabricates conventional spectacle lenses from semi-finished lens blanks that have
been mass-produced at a lens factory. The front surface of a semi-finished lens blank has been moulded
by the lens manufacturer with the intended optical characteristics and nominal surface curvature,
typically identified by a base curve value. Unfortunately, the economics of offering a unique front
curve design for every prescription combination, as indicated by Tscherning’s ellipse, are extremely
prohibitive for both lens manufacturers and optical laboratories due to the costs associated with mould
making and to the excessive inventory requirements that would be involved.
Consequently, in each lens material, conventional semi-finished spectacle lens blanks are typically
made available in only a few-base curves, which are each intended to cover a range of prescription
powers. For example, these lens blanks are typically offered in a limited range of different front or base
curves, such as 0,50 D, 2,00 D, 4,00 D, 6,00 D, 8,00 D, and 10,00 D. A single set of average frame fitting
values should also be assumed. The lens design associated with each base curve should therefore work
sufficiently well for a relatively broad range of possible combinations of prescription powers and fitting
parameters. Consequently, while some wearers may enjoy the intended optical characteristics with
conventional lenses, many wearers must tolerate less than perfect correction because their parameters
differ from those assumed for the lens design.
With semi-finished progressive-power lenses, the base curve restrictions become even more critical,
because of the number of additional design permutations required. For each base curve, there are
typically 12 addition powers (from +0,75 D to +3,50 D) and separate right and left lens designs. If five
base curves are made available, this results in 5 × 12 × 2 = 120 different lens blanks for each lens material.
Any new lens design options, such as a short-corridor design or a design with a different viewing zone
balance, would double the number of unique lens blanks needed. The inventory requirements and
product development costs associated with introducing a new progressive-power lens design therefore
limit the range of possible lens designs that are made available.
The unwanted effects of uncorrected optical aberrations are also exacerbated in progressive-power
lenses, which are already subject to optical limitations imposed by the surface astigmatism in the lateral
blending regions of the lens design. As the prescription deviates from the ideal prescription associated
with a given base curve design, the effects of cylindrical power ordered at an oblique axis increase. This
oblique cylindrical power interacts optically with the surface astigmatism of the progressive-power
design, causing the zones of the lens to contract and can also cause the zones of a progressive-power to
shift or become distorted from their ideal shape as the combination of oblique and surface astigmatism
combine to increase or decrease the total power (see Figure 7). This effect can differ between the right
and left lenses and disrupt binocular vision.
NOTE 1 Values determined by ray tracing. Power values given in dioptres. Linear dimensions given in
millimetres.
NOTE 2 Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 7 — Comparison of the size and position of the clear zones of a progressive-power lens
with increased amounts of oblique cylindrical power
6.3 Potential benefit of free form lens design
The advent of free form technology has freed lens designers from the constraints of conventional mass
lens production by enabling an optical laboratory to deliver spectacle lenses that have been designed
and manufactured for the specific details of the actual lens order. Free form surfacing makes possible
[8]
the production of complicated lens designs in a small-scale production environment, on demand .
When used in conjunction with sufficiently advanced optical design software, often referred to as a
lens design server, free form surfacing can be utilized to deliver custom-designed single-vision and
progressive-power lens designs that have been individually optimized using parameters specific to
each wearer, prior to production.
For free form surfacing processes that deliver custom-designed lenses, the optical characteristics of each
lens is calculated by the lens design server in order to optimize the optical characteristics individually
for factors that can include the wearer’s prescription, fitting parameters, frame information and so on.
The final optical characteristics of the lens will depend upon the number of parameters that are taken
into account during this optical optimization (see Figure 8). The most advanced optical optimization
routines will manipulate the free form surface on a point-by-point basis, using complex aspherization
algorithms, until the calculated optical characteristics of the lens comes as close as possible to the ideal
optical characteristics of the target lens design.
10 © ISO 2017 – All rights reserved
NOTE 1 The diagrams show the target design, a lens with no optimization, and the improvements with
optimization for the prescription and even better, also with position of wear. Values determined by ray tracing.
Power values given in dioptres. Linear dimensions given in millimetres.
NOTE 2 Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 8 — Comparison of the size and position of the clear zones of a progressive-power lens
with oblique astigmatism
6.4 Optimization for prescription
With sufficiently advanced software and a free form surfacing system, it becomes possible to optimize
the optical characteristics of the lens based upon the specific prescription requirements of each
wearer, prior to production. In one application of free form technology, a lens design server individually
optimizes each optical characteristic for the specific prescription requirements of the wearer by
manipulating the free form surface on a point-by-point basis, using complex aspherization, until the
differences between the optical characteristics of the calculated lens and the ideal target lens have
been minimized. This optical optimization ensures that the intended optical characteristics of the lens
design are preserved, regardless of prescription. See Figure 9.
NOTE Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 9 — Optimization for prescription
For instance, it is possible to minimize differences between the actual and intended characteristics in
order to eliminate residual aberrations. Wearers can therefore enjoy the widest possible fields of clear
vision, regardless of prescription. Furthermore, for progressive-power lenses, the binocular function of
the wearer can be preserved by maintaining more symmetrical fields of view and by varying the inset
of the near zone based upon the optical effects of the prescription.
6.5 Customization for the as-worn position
6.5.1 Explaining the as-worn position
The as-worn position is the location and orientation of the fitted lens relative to the actual wearer and
includes the as-worn pantoscopic angle, face-form (wrap) angle and vertex distance of the lens. Spectacle
prescriptions are typically determined using refractor-head or trial-frame lenses that are positioned
perpendicular to the lines of sight of the wearer. Once fitted to the wearer’s face, however, spectacle
frames generally hold the lenses tilted with respect to the lines of sight. Lens tilt introduces oblique
astigmatism, which results in changes from the required spherical power and unwanted cylindrical
power that vary over the lens. These unwanted power changes can modify the optical characteristics of
both single-vision and progressive-power lenses.
Although preformed progressive-power lenses assumed a default fixed position of wear, with
sufficiently advanced software, it is possible to customize the single-vision or progressive-power lens
design based upon the unique fitting parameters of each wearer. If the wearer’s pantoscopic angle, face-
form angle, and vertex distance are supplied, the as-worn position of the fitted lens can be modelled
using ray tracing in order to apply the necessary optical corrections across the lens surface during the
optical optimization process. Wearers can therefore enjoy the best optical characteristics possible,
regardless of their unique fitting requirements. See Figure 10.
NOTE Image by Darryl Meister. Reproduced with permission from Carl Zeiss Vision GmbH, USA.
Figure 10 — Customization for the as-worn position
Recall that the as-worn position can be defined as the position and orientation of the fitted spectacle lens
relative to the eye in primary gaze. The orientation of the spectacle lens is most consistently defined by
the orientation of the plane of the lens shape, i.e. the lens aperture of the frame that contains the lens,
with respect to a frontal reference plane that is perpendicular to the line of sight in primary gaze. In the
absence of pantoscopic tilt and any face-form angle, the plane of the spectacle front, passing through
the vertical midline of each boxed lens aperture, will coincide with this frontal reference plane. Further,
12 © ISO 2017 – All rights reserved
if the horizontal and vertical midlines of the boxed lens aperture of the frame are treated as vectors,
an equation of the plane of the lens aperture relative to this frontal reference plane can be deduced
[13]
mathematically .
The position of the spectacle lens relative to the eye is also typically defined by the back vertex
distance of the lens, which is the horizontal distance from the apex of the cornea to the back surface
of the lens. The previous definition of vertex distance was the longitudinal distance along the line of
sight perpendicular to the plane of the frame front to the back surface of the lens. Depending upon
the requirements of the lens designer, either of these definitions can be used. The as-worn position is
therefore described by three fitting parameters associated with the tilt of the frame and the location
of the lens (see Figure 11). Lens designers frequently use definitions for these parameters that are
consistent with ISO 13666, a glossary of standardized terminology for spectacle lenses:
— as-worn pantoscopic angle represents the vertical angle between the plane of the frame front and a
vertical plane perpendicular to the line of sight in primary gaze, which results from a rotation of the
plane of the frame front around the horizontal X-axis.
— face form angle represents the horizontal angle between the horizontal centreline of the lens
aperture and the plane of the spectacle front, which results from a rotation of
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 18476
Première édition
2017-06
Optique et instruments
ophtalmiques — Technologie free
form — Verres de lunettes correctrices
et mesure
Ophthalmic optics and instruments — Free form technology —
Spectacle lenses and measurement
Numéro de référence
©
ISO 2017
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ii © ISO 2017 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Introduction technique . 1
4.1 Préliminaires . 1
4.2 Qu’est-ce que le free form? . 1
4.3 La technologie free form est-elle la garantie d'une meilleure correction de la vue? . 2
4.4 Classification . 2
5 Fabrication . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Surfaçage traditionnel . 4
5.3 Surfaçage free form . 5
5.4 Comparaison entre les procédés de fabrication traditionnelle et free form . 6
6 Avantages potentiels du calcul de verres free form . 8
6.1 Astigmatisme des faisceaux obliques . 8
6.2 Limitations des verres traditionnels . 9
6.3 Avantage potentiel du design des verres free form .11
6.4 Optimisation pour la spécification .11
6.5 Personnalisation pour la position au porté .12
6.5.1 Explication de la position au porté .12
6.5.2 Position au porté et puissance de vérification .14
6.6 Personnalisation pour la hauteur de monture .15
6.7 Personnalisation du design des verres .15
7 Mesure et contrôle qualité .16
7.1 Performance des verres .16
7.2 Conformité aux normes .17
7.3 Intégrité du design et contrôle procédé .17
7.3.1 Généralités .17
7.3.2 Mesure surfacique .17
7.3.3 Mesure de la puissance réfractée .18
7.4 Mesure en condition de port .18
7.5 Étapes de vérification du procédé de fabrication .21
Annexe A (informative) Organigramme de livraison type .23
Annexe B (informative) Technologie de mesure .25
Annexe C (informative) Glossaire de termes et descriptions .30
Bibliographie .32
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
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l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
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Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-
comité SC 7, Optique et instruments ophtalmiques.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 18476:2017(F)
Optique et instruments ophtalmiques — Technologie free
form — Verres de lunettes correctrices et mesure
1 Domaine d'application
Le présent document présente toutes les étapes de la réfraction à la livraison de lunettes correctrices,
avec une attention particulière portée aux avantages procurés par l'utilisation de la technologie free
form, et donne un recueil des termes et descriptions applicables.
Le présent document n'inclut pas les spécificités exclusives des designs de verres offerts par les
fabricants.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n'est défini dans le présent document.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http://www.iso.org/obp
4 Introduction technique
4.1 Préliminaires
4.1.1 Le terme «free form» peut être orthographié de plusieurs manières différentes. Dans le présent
document, la forme en deux mots est utilisée.
4.1.2 Plusieurs termes sont communément utilisés pour expliquer le design de puissance optique des
verres de lunettes correctrices, tels que «fonction optique», «caractéristiques optiques», «propriétés
optiques», ou «propriétés du design». À des fins de simplicité, le présent document utilise le terme
«caractéristiques». L'expression «propriétés optiques» n'est utilisée que pour décrire les résultats
optiques de la géométrie du verre, et non un design ou caractéristique visée.
4.1.3 Un organigramme type comprenant la réfraction, la livraison et la fabrication à l’utilisateur final
est représenté en Figure A.1 (voir Annexe A).
4.1.4 Un glossaire des termes et leur description sont fournis dans l'Annexe C.
4.2 Qu’est-ce que le free form?
En optique ophtalmique, le terme «surfaçage free form» désigne un procédé de surfaçage des verres
de lunettes correctrices capable de produire des surfaces de verre continues, lisses, non-symétriques
et sans symétrie par rapport à un point, un axe ou un plan, qui sont décrites par des coordonnées
tridimensionnelles créées par formulation mathématique. Ce procédé de design et de surfaçage permet
d'optimiser la performance des verres.
La technologie traditionnelle de surfaçage des verres, qui doucit et polit à l'aide de polissoirs rigides, ne
peut produire que des surfaces de verre sphériques ou toriques simples.
Les méthodes modernes de surfaçage de verres free form sont actuellement capables de générer des
surfaces beaucoup plus complexes que des surfaces sphériques et toriques simples, permettant ainsi
aux laboratoires optiques locaux de fabriquer des designs de verres progressifs et autres directement
sur le verre semi-fini avec les rayons de courbure requis. Afin de produire ces formes complexes, le
surfaçage free form utilise une commande numérique précise, pilotée par ordinateur, de l'outil de coupe
avec trois axes de mouvement ou plus. La surface est souvent usinée par tournage à pointe de diamant
unique, puis polie avec des polissoirs souples.
Un «procédé free form» peut donc être sommairement décrit comme un procédé de surfaçage de verre
utilisant des machine à contrôle numérique (CNC) capables de produire une surface free form avec des
caractéristiques optiques sur l'un, l'autre ou les deux côtés du verre.
Il convient de noter que lorsque des surfaces plus simples qui peuvent être produites par des méthodes
traditionnelles sont élaborées au moyen du procédé free form, il est recommandé de ne pas les désigner
par l'appellation «surfaces free form», ni les verres ainsi fabriqués «verres free form».
4.3 La technologie free form est-elle la garantie d'une meilleure correction de la vue?
En tant que technologie habilitante, le surfaçage free form permet l'application de caractéristiques
optiques, calculées juste avant la fabrication des verres, à l'aide d'informations spécifiques au porteur
de façon individuelle.
L'utilisation de surfaçage free form comme méthode de fabrication ne garantit aucun avantage visuel
pour le porteur. S'il est vrai que le procédé de polissage au feutre doux utilisé au cours du surfaçage
free form n'est pas sujet aux écarts du surfaçage de verre traditionnel, il n'en est pas moins qu'il peut
maintenir une surface free form ébauchée avec exactitude. En conséquence, le polissage au feutre doux
s'appuie sur une ingénierie des procédés et un contrôle qualité plus développés afin de réaliser des
surfaces de verre de haute qualité.
Le surfaçage free form constitue un puissant moyen pour surmonter les limitations de la fabrication
de verres semi-finis traditionnels lorsqu'il est utilisé conjointement avec un logiciel de design optique
suffisamment perfectionné en produisant des verres personnalisés adaptés aux exigences visuelles
spécifiques du porteur de façon individuelle. Il devient possible d'optimiser le design optique du verre
individuellement (c'est-à-dire d'après la puissance et la position dans l’espace exactes de spécification
du verre monté) avant que le verre ne soit effectivement fabriqué, afin de préserver les caractéristiques
optiques voulues du verre pour chacun des porteurs.
En plus de préserver les caractéristiques optiques voulues du verre pour toute combinaison de
puissance de spécification ou position au porté, il est également possible de personnaliser d'autres
éléments du design du verre pour chaque porteur, de façon individuelle. Le verre peut être adapté de
manière plus approfondie afin de modifier la longueur du couloir pour la hauteur de montage par petits
incréments, d'optimiser les zones de vision pour les besoins professionnels, et d'ajuster les gradients
de puissance périphérique pour le comportement de mouvements de la tête et des yeux, etc. Il importe
toutefois de noter que seuls les verres free form de design personnalisé offriront au porteur ce niveau
de sophistication et ces propriétés de design.
Néanmoins, sans application de design optique en temps réel en vue d'optimiser le design des verres
pour le porteur de façon individuelle, les avantages visuels potentiels de l'utilisation du surfaçage free
form restent relativement mineurs.
4.4 Classification
En utilisant le surfaçage free form, un laboratoire optique peut générer par surfaçage un grand nombre
de designs de verres directement sur un verre semi-fini en plus des rayons de courbure normalement
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appliqués. Dans le cas où les deux surfaces du verre sont travaillées, les caractéristiques optiques, la
puissance d'addition le cas échéant, et les composants de spécification d'un verre free form peuvent être
appliqués au verre semi-fini dans diverses configurations possibles de surface de verre. Chaque type
de verre free form représente une combinaison particulière de rayons de courbure de verre moulées
en usine et générées directement par surfaçage. Les surfaces de verre en jeu s’étendent en complexité
des surfaces sphériques simples aux surfaces à puissance progressive individuellement optimisées, qui
répondent simultanément à toutes les exigences de spécification du porteur.
Lorsque le surfaçage free form est utilisé pour transférer les caractéristiques optiques sur les verres
semi-finis, des verres progressifs free form peuvent être classés selon la répartition des caractéristiques
optiques entre les faces avant et arrière (voir Figure 1).
a) Les verres free form à face avant (A en Figure 1) utilisent une surface progressive générée directement
par surfaçage avec l'intégralité de la puissance d'addition à l'avant et les rayons de courbure générés
par surfaçage de manière traditionnelle à l'arrière. Les éléments optiques progressifs sont générés
directement par surfaçage sur le verre. Même si elle est moins courante, cette configuration peut,
par exemple, être utilisée pour obtenir de plus larges gammes de spécification.
b) Les verres free form à double face (B en Figure 1) utilisent une surface de type progressif moulée en
usine (ou dans certains cas, générée directement par surfaçage) avec un composant de la puissance
d'addition totale à l'avant et une surface progressive générée numériquement par surfaçage avec,
par exemple, le reste de la puissance d'addition qui a été combinée avec les rayons de courbure à
l'arrière. Les éléments optiques progressifs sont répartis entre les deux surfaces du verre.
c) Les verres free form à face arrière (C en Figure 1) utilisent une surface sphérique moulée en usine à
l'avant et une surface progressive générée directement par surfaçage qui a été combinée avec les
rayons de courbure à l'arrière. Le design des verres progressifs peut être un design standard (fixe)
ou un design optiquement optimisé.
À des fins de simplicité, le reste du présent document ne mentionnera que les verres où toute la
complexité est portée par la face arrière (C en Figure 1).
NOTE Image par Darryl Meister. Reproduit avec la permission de Carl Zeiss Vision GmbH, États-Unis.
Figure 1 — Classification des verres progressifs free form d'après la répartition de la puissance
d'addition entre les faces avant et arrière
5 Fabrication
5.1 Généralités
Le cycle de fabrication des verres est le même, quel que soit le procédé utilisé pour les fabriquer. Le
déroulement général des opérations de fabrication des verres est décrit à la Figure 2.
Figure 2 — Déroulement général des opérations de fabrication des verres avec des verres
semi‑finis et surfaçage
5.2 Surfaçage traditionnel
Le surfaçage traditionnel est un procédé en quatre étapes qui consiste à donner à la face arrière non
finie d'un verre semi-fini les rayons de courbure de requis pour obtenir la spécification demandée (voir
Figure 3). La face avant des semi-finis, qui a été moulée par le fabricant, est quant à elle déjà de qualité
optique.
Lors de la première étape, appelée «blocage» ou «glantage», le verre semi-fini est monté par sa surface
avant finie sur un support destiné à le maintenir en place pendant les trois étapes suivantes.
Lors de la deuxième étape, la surface arrière non finie du verre est usinée par un générateur
approximativement à la forme requise à l'aide d'un procédé de meulage, tournage ou fraisage.
Lors de la troisième étape, appelée doucissage, la surface travaillée est meulée à la forme exacte par
une machine de doucissage/polissage torique qui déplace rapidement la surface du verre de manière
cyclique sur un polissoir rigide équipé de feutres abrasifs correspondant à la courbure voulue de la
surface du verre. La surface du verre est ainsi amenée à une qualité adaptée au polissage.
Au cours de la quatrième et dernière étape de fabrication, appelée polissage, le feutre abrasif est
remplacé par un feutre à polir. La surface du verre est de nouveau passée de manière cyclique sur
le polissoir rigide dans une machine de doucissage/polissage torique, tandis que le feutre à polir est
arrosé de liquide de polissage. Le verre est ensuite «déglanté».
Voir les Figures 3 a) et b). Dans la Figure 3 b), le polissoir rigide donne les courbures des deux principaux
méridiens fixes à la surface concave du verre.
a) Schéma du procédé de surfaçage b) Procédé de doucissage utilisé dans
traditionnel le surfaçage traditionnel
Figure 3 — Procédé de surfaçage traditionnel
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Les générateurs les plus simples sont des machines à deux axes qui utilisent une meule diamantée pour
générer une surface de verre sphérique ou torique. Dans un procédé d'ébauchage traditionnel, l'accent
est mis sur le débit et l’enlèvement rapide de matière du verre. Toute inexactitude dans la forme de la
surface du verre ébauchée est finalement corrigée au cours du procédé de doucissage par le polissoir
rigide. En particulier, le procédé de doucissage avec des polissoirs rigides exploite la symétrie circulaire
de révolution ou de méridien des surfaces de verre sphériques ou toriques, puisque ces surfaces peuvent
être passées de manière cyclique sur le polissoir rigide selon un mouvement oscillant uniforme qui
produit une pression relativement constante de doucissage et de polissage sur le verre semi-fini [voir
Figure 3 b)]. L'utilisation de polissoirs rigides au cours des procédés de doucissage et de polissage limite
donc la gamme de formes surfaciques du verre possibles à des surfaces sphériques et toriques simples.
De plus, dans la pratique, les polissoirs rigides ne sont disponibles que par valeurs discrètes de rayon
de courbure. Pour que les stocks restent de taille raisonnable, les polissoirs rigides sont souvent stockés
par pas de huitième de dioptrie (0,12 D) ou dixième de dioptrie (0,10 D) pour la puissance sphérique,
même si des laboratoires plus importants peuvent stocker des outils par pas de 0,06 D. Cela peut
potentiellement entraîner des écarts au rayon de courbure souhaité pouvant aller jusqu'à ± 0,05 D, qui
limiteront l'exactitude de la puissance de spécification du verre généré par surfaçage et augmenteront
la probabilité de non-conformité durant une inspection qualité.
5.3 Surfaçage free form
Conjointement avec le Système de Gestion des Laboratoires (Laboratory Management system, LMS), un
Serveur de design des verres (Lens Design Server (LDS; ordinateur et logiciel sophistiqué approprié)) est
d'abord utilisé pour calculer un fichier de description de surface (surface description file, SDF) (également
appelé «fichier de points») à partir de la spécification et des paramètres de commande du verre. Le
fichier de points contient les données de hauteur (et éventuellement de pente) de surface [voir l'Axe 1 à la
[7]
Figure 4 b)] qui caractérisent la géométrie tridimensionnelle requise de la surface du verre à couper .
La surface du verre requise est ensuite ébauchée à partir du fichier de points à l'aide d'un procédé de
coupe par machine à contrôle numérique (Computer Numeric Control, CNC). Avec trois axes ou plus de
mouvements contrôlés avec précision, les outils de coupe à arête unique de ces générateurs peuvent
produire pratiquement n'importe quelle forme continument lisse avec un haut degré de précision et une
texture lisse qui ne nécessite qu'un polissage minimal.
La machine peut également orienter l'outil de coupe pour qu'il soit à angle droit par rapport à la position
dans l’espace de la surface du verre dans la zone immédiate dans laquelle il coupe; il peut donc y avoir
des machines à trois ou cinq axes, ou le double si elles peuvent générer par surfaçage les verres gauche
et droit simultanément.
a) Schéma du procédé de surfaçage free form b) Usinage free form par CNC
Figure 4 — Procédé de surfaçage free form
Pour la plupart des verres free form, les puissances de spécification sont combinées dans le design du
verre requis, puis traitées comme une surface unique sur l'arrière d'un verre semi-fini, comme à la
[8]
Figure 2 . Cela permet la fabrication du design d’un verre et des rayons de courbure en une seule fois.
La surface de verre travaillée est ensuite polie avec une polisseuse free form équipée d'une polisseuse
souple qui est également dynamiquement contrôlé par un ordinateur. Contrairement aux polissoirs
rigides, qui ne sont disponibles que par valeurs discrètes de rayon de courbure, les outils souples
peuvent polir une surface de verre par pas très petits.
Étant donné que cette technologie permet au laboratoire de fabriquer un design de verre complexe
directement sur le verre semi-fini, le surfaçage free form est parfois appelé surfaçage direct. Étant donné
que le surfaçage de verres free form repose sur des fichiers informatiques (de points) qui décrivent la
forme surfacique désirée, le surfaçage de verres free form est également appelé surfaçage numérique.
Néanmoins, le terme «surfaçage numérique» est souvent utilisé de manière plus générale pour désigner
tout procédé de surfaçage de verre utilisant un équipement de surfaçage free form, même lors du
surfaçage de surfaces traditionnelles sphériques ou toriques, ce qui fait que l'utilisation de ce terme
particulier peut induire en erreur.
En résumé, un procédé de surfaçage traditionnel ne peut pas produire les surfaces complexes utilisées
pour des designs de verre complexes tels que les verres progressifs, en raison des limitations en ce qui
concerne à la fois les gammes de géométries de surface possibles et la qualité de la surface finie produite
par des générateurs traditionnels. Le surfaçage free form est un procédé de surfaçage plus sophistiqué
capable de produire pratiquement n'importe quelle surface continument lisse, y compris les surfaces
asphériques, atoriques et progressives, en plus des surfaces sphériques et toriques de base. Cela permet
aux laboratoires optiques locaux de fabriquer des surfaces progressives et autres surfaces continues
complexes qui auparavant nécessitaient un moulage au moyen d'un procédé de fabrication en série.
5.4 Comparaison entre les procédés de fabrication traditionnelle et free form
Tableau 1 — Comparaison des étapes des procédés de fabrication traditionnelle et free form
Étape Procédé Procédé
de fabrication traditionnel free form
Données d'entrée — Spécification: SPH, CYL, Axis, addition, — Spécification: SPH, CYL, Axis,
de la commande Base et valeur du prisme, CD. addition, Base et valeur du prisme, CD.
— Paramètres de montage et de
personnalisation
Sélection du verre — La valeur de base est choisie à partir — La valeur de base est choisie à
semi-fini de la spécification d'après la gamme de partir de la spécification d'après
spécification. la gamme de spécification.
— La surface complexe existe déjà sur — Une partie de la complexité peut
la face avant du verre semi-fini. se trouver sur la face avant du verre
semi-fini.
— Le nombre d'unités de stock (SKU)
de verres semi‑finis requis est élevé — Le nombre d'unités de stock
pour couvrir toutes les additions et toutes (SKU) de verres semi‑finis requis
les spécifications. peut être réduit dans le cas de verres
où toute la complexité est portée par
la face arrière (full back side).
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Tableau 1 (suite)
Étape Procédé Procédé
de fabrication traditionnel free form
Calcul de la face arrière — Surfaces simples et limitées: au vu des — Surfaces free form: la surface
outils de surfaçage utilisés, la face arrière du verre peut être sphérique,
du verre ne peut être que sphérique ou torique, asphérique ou progressive/
torique. dégressive ou une combinaison des
deux, ou encore plus complexe.
— Les caractéristiques optiques sont
gérées par le biais de la face avant. — Les caractéristiques optiques sont
gérées via la face arrière uniquement
— Le calcul donne les rayons de
(full back side) ou via les deux
courbure et l'axe de la face arrière et
surfaces (dual side).
son positionnement par rapport à la face
avant (épaisseur et prisme). — Le calcul, généralement basé sur
des algorithmes de tracé de rayons
— Le résultat du calcul est arrondi
complexes, donne soit une surface
suivant les pas d'outillage disponibles
qui sera à réaliser et sa position
(par exemple 0,12 D, 0,10 D ou 0,06 D).
par rapport à l'autre surface, soit
les deux surfaces.
— Le résultat du calcul est
exactement la surface cible du
verre, sans aucun arrondi.
Plastification Utilisation d'un film plastique déposé sur la face avant, à la fois pour la protéger et
pour assurer l'adhésion pour le glantage (pas systématiquement nécessaire avec
une méthode alternative, telle que la pulvérisation soluble dans l'eau).
Glantage Positionnement mécanique 3D du verre semi-fini (centrage, axe, angles, etc.)
Ébauchage — Fraisage d'ébauche. — Tournage d'ébauche avec
un disque de coupe rotatif.
— Utilisation d'une meule boisseau
introduisant des erreurs elliptiques. — Tournage de finition avec outil
à pointe de diamant unique.
— Ébauchage des courbures de la face
arrière. — Les machines de coupe
nécessitent une trajectoire de haute
— La surface peut être générée
précision avec des conditions
approximativement étant donné que la
d'accélération élevée.
géométrie finale est donnée par les outils
de doucissage/polissage. — La surface usinée a exactement
la forme attendue au final.
Doucissage — Doucissage par feutre abrasif sur Cette étape n'est pas nécessaire.
polissoir rigide.
— Donne la forme attendue au final.
Polissage — Respecte la forme surfacique doucie. — Respecte la forme ébauchée.
— Polissage dur avec polissoir rigide. — Polissage doux avec outil souple.
— 1 outil = 1 surface sphérique ou torique. — 1 outil = une infinité de surfaces.
Gravage Généralement effectué sur la face avant Pour les verres semi-finis à face avant
du verre semi‑fini sphérique, généralement effectué
sur la face arrière du verre fini,
même si certains verres free form
sont réalisés à partir de semi-finis
pré-gravés.
Le surfaçage traditionnel a constamment fait l'objet d'améliorations. Les polissoirs rigides peuvent être
taillés sur des polissoirs réutilisables ou jetables, évitant ainsi d'avoir à garder ces outils par valeurs
discrètes. Des générateurs de surfaces de verre plus sophistiqués peuvent produire des surfaces plus
exactes qui ne requièrent pas nécessairement un polissage sur polissoir dur.
Il existe également des différences entre les deux procédés en termes de conformité de puissance/prisme
et d'intégrité de la surface attendue (voir le Tableau 2). En conséquence, un contrôle procédé spécifique
est nécessaire pour le procédé free form pour assurer l'intégrité de la surface attendue.
Tableau 2 — Conformité de puissance/prisme et intégrité de la forme surfacique voulue
Procédé traditionnel Procédé free form
L'intégrité de la surface attendue est garantie par L'intégrité de la surface attendue dépend également de la
le contrôle des moules, des inserts et du procédé phase de fabrication de la face concave: la responsabilité
de fabrication des verres semi-finis est principalement (entièrement dans le cas de verres
pour lesquels le design est porté entièrement sur la
Les conformités de la vision de loin et du
face arrière) transférée aux laboratoires
prisme au point de référence du prisme (PRP)
sont garanties par les laboratoires. — Les conformités de la Vision de loin et du prisme au
point de référence du prisme (PRP) sont garanties par
les laboratoires.
6 Avantages potentiels du calcul de verres free form
6.1 Astigmatisme des faisceaux obliques
Lorsque l’axe du regard est excentrée par rapport à l'axe optique du verre, une aberration optique
appelée astigmatisme des faisceaux obliques est générée par la réfraction oblique des rayons lumineux
à travers le verre. L'astigmatisme des faisceaux obliques se traduit par des erreurs indésirables de
puissance sphérique et cylindrique qui sont perçues par le porteur comme des écarts par rapport à la
spécification désirée. L'astigmatisme des faisceaux obliques se produit quand l'un ou l'autre des verres
est incliné par rapport au porteur en raison du montage de la monture, ou quand le porteur regarde un
objet à travers une zone excentrée du verre. Dans les deux cas, l’axe du regard forme un angle avec l'axe
optique du verre qui peut avoir pour résultat une focalisation astigmatique qui ne coïncide plus avec le
foyer voulu, si le design du verre ne prend pas cet effet en compte de manière adéquate (voir Figure 5).
NOTE Image par Darryl Meister. Reproduit avec la permission de Carl Zeiss Vision GmbH, États-Unis.
Figure 5 — Dégradation de l'image due au non alignement de l’axe du regard sur l'axe optique
du verre
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Il n'y a pas d'astigmatisme des faisceaux obliques quand l’axe du regard coïncide avec l'axe optique du
verre et que l'objet est clairement vu (voir Figure 5):
a) les formes de l’axe du regard alignées sur l'axe optique du verre donnent une bonne image (A en
Figure 5);
b) image floue avec verre incliné (B en Figure 5);
c) image floue avec l’axe du regard oblique (C en Figure 5).
Pour des spécifications sphériques, l'astigmatisme des faisceaux obliques introduit durant la vision
excentrée peut être éliminé en choisissant une courbure frontale sphérique qui correspond à l'ellipse de
[9]
Tscherning pour un ensemble donné de paramètres de design des verres. Voir l'exemple en Figure 6
qui représente la puissance de la surface convexe du verre requise pour la vision de loin afin d'éliminer
l'astigmatisme des faisceaux obliques lorsque l’axe du regard est orienté de 30° par rapport à l'axe
optique. Pour une spécification de −5,00 D, la puissance de la surface convexe devra être d'environ soit
+3,50 D, soit +17,00 D.
Ceci conduit à un design des verres «dits» ponctuels. Il est également possible d'utiliser un design des
verres asphériques, qui affranchit le concepteur de verres des exigences de forme de verre relativement
rigides de l'ellipse de Tscherning afin de concevoir des verres plus plats et plus minces. Toutefois, comme
avec les verres ponctuels, chaque puissance sphérique nécessite un design des verres asphériques
particulier.
Valeurs en dioptries
NOTE Image par Darryl Meister. Reproduit avec la permission de Carl Zeiss Vision GmbH, États-Unis.
Figure 6 — Ellipse de Tscherning
Les verres ponctuels et asphériques présentent par design une symétrie de révolution qui ne peut
complètement corriger l'astigmatisme des faisceaux obliques que quand le design des verres correspond
exactement au design requis pour la puissance sphérique de la spécification, et quand la spécification
ne nécessite pas de puissance cylindrique. Pour corriger l'astigmatisme des faisceaux obliques dans les
verres sphéro-cylindriques avec une puissance cylindrique spécifiée, il convient d'utiliser un design des
[10]
verres atoriques, d'asphéricité différente dans les deux principaux méridiens du verre . Plus de 75 %
[11]
des spécifications aux États-Unis comprennent une puissance cylindrique . Les verres avec prisme,
les verres progressifs ou multifocaux, les verres conçus pour des angles pantoscopiques ou galbes
[12]
personnalisés, ou autres variables optiques, peuvent nécessiter des designs encore plus complexes .
6.2 Limitations des verres traditionnels
Un laboratoire optique fabrique des verres de lunettes correctrices traditionnels à partir de verres
semi-finis qui ont été produits en série par une usine de verres. La face avant d'un verre semi-fini a été
moulée par le fabricant avec les caractéristiques optiques voulues et la courbure nominale de surface,
généralement identifiée par une valeur appelée valeur de base. Malheureusement, offrir une courbure
de base de la face avant spécifique pour chaque combinaison de spécifications, comme indiquée par
l'ellipse de Tscherning, est économiquement prohibitif à la fois pour les fabricants de verres et pour les
laboratoires optiques, en raison des coûts associés à la fabrication des moules et aux stocks excessifs
qui seraient générés.
En conséquence, pour chaque matériau de verre, les verres semi-finis de verres de lunettes correctrices
traditionnels semi-finis ne sont souvent disponibles que pour quelques valeurs de base, chacun d’entre
eux étant destiné à couvrir toute une gamme de puissances de spécification. Par exemple, ces verres
semi-finis sont généralement offerts dans une gamme limitée de rayons de courbure frontaux ou de
valeurs de base différentes, telles que 0,50 D, 2,00 D, 4,00 D, 6,00 D, 8,00 D et 10,00 D. Il convient également
de formuler des hypothèses relatives à l’ajustement de la monture. Il convient donc que le design du
verre associé à chaque valeur de base soit suffisamment performant pour une gamme relativement
large de combinaisons possibles de puissances de spécification et de paramètres de montage. En
conséquence, alors que certains porteurs peuvent apprécier les caractéristiques optiques obtenues
avec des verres traditionnels, bon nombre d'entre eux doivent tolérer une correction imparfaite parce
que leurs paramètres diffèrent de ceux qui sont postulés pour le design des verres.
Les restrictions du nombre de bases des verres deviennent encore plus critiques avec les verres
progressifs semi-finis, à cause du nombre de combinaisons de designs supplémentaires requis. Pour
chaque base de verre, il y a généralement 12 puissances d'addition (de +0,75 D à +3,50 D) et des designs
distincts de verres gauche et droit. Si cinq bases de verre sont offertes, cela donne 5 × 12 × 2 = 120 verres
semi-finis différents pour chaque matériau de verre. Toute nouvelle option de design du verre, comme
un design à couloir court ou un design avec un équilibre de zones de vision différent, multiplierait
par deux le nombre de verres semi-finis uniques nécessaires. Les exigences de stock et les coûts de
développement de produit associés à l'introduction d'un nouveau design de verres progressifs limitent
la gamme de designs de verre mis à disposition.
Les effets indésirables des aberrations optiques non corrigées sont également exacerbés dans les verres
progressifs, qui sont déjà sujets aux limitations optiques imposées par l'astigmatisme de surface dans
les zones de transition latérale des designs de verres. Plus la spécification s'écarte de la spécification
idéale associée à une valeur donnée de base du verre, plus les effets d’un astigmatisme de spécification
combinés à l’astigmatisme des faisceaux obliques augmentent. L’astigmatisme des faisceaux obliques
et l'astigmatisme de surface du design progressif influent optiquement l'une sur l'autre, ce qui entraîne
une contraction des zones du verre, et éventuellement un décalage ou une déformation des zones
de puissance progressive par rapport à leur forme idéale au fur et à mesure que l'astigmatisme des
faisceaux obliques et l'astigmatisme de surface se conjuguent pour augmenter ou diminuer la puissance
totale (voir Figure 7). Cet effet peut varier entre les verres droit et gauche et perturber la vision
binoculaire.
NOTE 1 Valeurs déterminées par tracé de rayons. Valeurs de puissance données en dioptries. Dimensions
linéaires données en millimètres.
NOTE 2 Image par Darryl Meister. Reproduit avec la permission de Carl Zeiss Vision GmbH, États-Unis.
Figure 7 — Comparaison de la taille et de la position des zones de vision nette d'un verre
progressif au fur et à mesure de l'accroissement de la puissance cylindrique (axe oblique)
10 © ISO 2017 – Tous droits réservés
6.3 Avantage potentiel du design des verres free form
L'apparition de la technologie free form a affranchi les concepteurs de verres des contraintes de
la production traditionnelle en série de verres en permettant à un laboratoire optique de fournir
des verres de lunettes correctrices conçus et fabriqués pour les détails spécifiques de la commande
effective des verres. Le surfaçage free form permet la production de designs de verres complexes dans
[8]
un environnement de production à petite échelle, à la demande . Lorsqu'il est utilisé conjointement
avec un logiciel de design optique suffisamment perfectionné, souvent appelé serveur de design des
verres, le surfaçage free form peut permettre de produire des designs de verres personnalisés unifocaux
et progressifs individuellement optimisés à l'aide de paramètres spécifiques à chaque porteur, avant
production.
Pour les procédé de surfaçage free form qui produisent des verres personnalisés, les caractéristiques
optiques de chaque verre sont calculées par le serveur de design des verres afin d'optimiser
individuellement les caractéristiques optiques pour des facteurs qui peuvent inclure la spécification du
porteur, les paramètres de montage, les informations concernant la monture, etc. Les caractéristiques
optiques définitives du verre dépendront du nombre de paramètres pris en compte au cours de cette
optimisation optique (voir Figure 8). Les routines d'optimisation optique les plus perfectionnées
manipuleront la surface free form point par point, au moyen d'algorithmes d'asphérisation complexes,
jusqu'à ce que les caractéristiques optiques calculées du verre soient aussi proches que possible des
caractéristiques optiques idéales du design des verres cibles.
NOTE 1 Les diagrammes montrent le design cible, un verre sans optimisation, et les améliorations avec
optimisation pour la spécification, et encore mieux, avec la position d'utilisation. Valeurs déterminées par tracé
de rayons. Valeurs de puissance données en dioptries. Dimensions linéaires données en millimètres.
NOTE 2 Image par Darryl Meister. Reproduit avec la permission de Carl Zeiss Vision GmbH, États-Unis.
Figure 8 — Comparaison de la taille et de la position des zones de vision nette d'un verre
progressif avec astigmatisme des faisceaux obliques
6.4 Optimisation pour la spécification
Avec un logiciel suffisamment perfectionné et un système de surfaçage free form, il devient possible
d'optimiser les caractéristiques optiques du verre d'après les exigences de spécification spécifiques de
chaque porteur avant production. Dans une des applications de la technologie free form, un serveur
de design des verres optimise individuellement chaque caractéristique optique pour les exigences
de spécification spécifiques d
...
Questions, Comments and Discussion
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