CN100582718C - 眼镜片光学质量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光学技术领域的眼镜片光学质量测量装置。本发明包括：准直光系统、二维光线调节系统、二维眼镜旋转架、检测系统。准直光系统位于最前端，二维光线调节系统呈L形并位于准直光系统之后，二维光线调节系统之后依次为二维眼镜旋转架、检测系统，被测眼镜放在二维眼镜旋转架上。准直光系统、二维光线调节系统、二维眼镜旋转架、检测系统的中心同轴。本发明能正确和精确地检测眼镜的像差，特别是高阶像差且更有效地评估眼镜的像差对人眼视力的影响。

Description

眼镜片光学质量测量装置

技术领域

本发明涉及一种光学技术领域的装置，具体是一种基于Hartmann-Shack(波前像差检测)原理的眼镜片光学质量测量装置。

背景技术

渐变多焦点镜片的推广在国外一些发达国家已经超过了50年。由于它科学的设计原理，渐变多焦镜在我国也越来越广泛地被接受。因此能够正确地测量渐变多焦点镜片的成像质量的方法和装置也越来越重要和必要。渐变多焦点镜片的主要光学设计特点是镜片屈光度从上方的视远区到下方的视近区逐渐增加。所以它避免了佩戴双焦和三焦点镜片时存在的成像跳跃的现象。而上方的视远区和下方的视近区域内的屈光度相对稳定。连接上方视远区和下方视近区的屈光度连续变化的区域称为渐变区。镜片上的光学成像质量也会随着镜片的检测区域的变化而变化。正是渐变多焦点镜片的这种内在的设计特征使得渐变槽的两侧会产生一些不可避免的成像变形。这些成像变形会直接影响到佩戴者的视力成像质量。目前已经有一些不同的检测方法，比如Hartmann法(波前像差检测原理)、焦度计、干涉仪。根据眼镜和人眼的模型，人眼透过眼镜看周围的物体时只用到了眼镜上的瞳孔直径大小的面积。实验证明眼镜和人眼的相对位置会直接影响到检测质量的结果。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为200610041215.3的中国专利“一种眼镜片光学质量测量装置”，该专利是将光线放大到镜片的整个区域来检测镜片，没能正确地体现眼镜和人眼模型。所以如何正确地模拟眼镜和人眼的相对位置来检测镜片以至得到更精确更有效的结果正是问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种渐变多焦点镜片的光学质量测量装置，使其可以测量屈光度、散光、棱镜度、点扩散函数(PSF)、光学传递函数(MTF)和其他高阶像差在整块镜面上的不同点的分布。基于眼镜和人眼的相对位置，测量的正确性有明显的提高。应用Hartmann-Shack的波前像差检测原理，测量得到的低阶特别是高阶像差较Hartmann原理更精确。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：准直光系统、二维光线调节系统、二维眼镜旋转架、检测系统。准直光系统位于最前端，二维光线调节系统呈L形并位于准直光系统之后，二维光线调节系统之后依次为二维眼镜旋转架、检测系统，被测眼镜放在二维眼镜旋转架上。准直光系统产生的准直光经过二维光线调节系统后变成方向可调的准直光，通过眼镜的被检测区域后，由检测系统测量眼镜的各光学参数。准直光系统、二维光线调节系统、二维眼镜旋转架、检测系统的中心同轴。

所述准直光系统包括激光光源、强度可调的滤光片、目镜、小孔、消色差透镜和直径可调的光阑，这些部件均固定在光学平台上，且各部件中心同轴。激光光源位于最前端，滤光片位于激光光源的后方，滤光片后面依次是目镜和小孔，目镜和小孔组成一个空间滤波器，小孔后面为消色差透镜，激光光源发出的光经过滤光片、目镜和小孔后的光斑最圆最亮时即为小孔的最佳位置。消色差透镜的物方焦点与小孔重合。直径可调光阑位于消色差透镜的后方。

所述二维光线调节系统包括两个平面反射镜、两个消色差正透镜和轴向移动平台。两个平面反射镜、两个消色差正透镜均固定在轴向移动平台上。两个平面反射镜位于两个消色差正透镜的前面，两个平面反射镜、两个消色差正透镜的中心同轴，且两个消色差正透镜焦距相等。轴向移动平台可以在光学平台上自由地沿轴向前后移动。两个平面反射镜互相垂直，且与光轴成45度角。由准直光系统产生的准直光经两个反射镜反射后的方向与原方向相反。第二平面反射镜的倾斜中心在第一消色差正透镜的物方焦平面上，第二消色差正透镜的物方焦点与第一消色差正透镜的像方焦点重合构成望远镜系统。调节轴向移动平台可让眼镜的被测区域在第二消色差正透镜的像方焦平面上。

所述二维眼镜旋转架包括侧向滑槽、眼镜架、水平面角度转台、垂直面角度转台和连接支架。被测眼镜固定在眼镜架上。眼镜架通过侧向滑槽固定在垂直面角度转台上。垂直面角度转台通过连接支架固定在水平面角度转台上。水平面角度转台固定在现有的通用光学平台上。

所述检测系统包括由第三、第四消色差正透镜构成的望远镜系统、分光镜、摄像头、Hartmann-Shack传感器和计算机。两个消色差正透镜、分光镜、摄像头和Hartmann-Shack传感器直接固定在光学平台上。眼镜被测区域的后表面要在第三消色差正透镜的物方焦平面上。第四消色差正透镜的物方焦点与第三消色差正透镜的像方焦点重合构成望远镜系统。Hartmann-Shack传感器中微透镜阵列的前表面放在第四消色差正透镜的像方焦平面上。在Hartmann-Shack传感器和第四消色差正透镜之间还放置了一个分光镜。分光镜的反射面与光轴成45度角。摄像头对准分光镜的反射面并位于分光镜的后方。摄像头和Hartmann-Shack传感器分别与计算机相连。

本发明针对眼镜和人眼模型，有以下几个优点：1、通过模拟眼镜和人眼的相对位置，让检测结果更有实际意义，且更有效地评估眼镜的像差对人眼视力的影响。2、应用Hartmann-Shack波前像差传感器，能够更精确地检测眼镜的像差特别是高阶像差。3、为改进镜片制造工艺提供检测方法。4、为个性化配镜提供准确的参考依据。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明二维光线调节系统的原理图

图3为本发明二维眼镜旋转架的具体结构示意图

图4为本发明二维眼镜旋转架的原理图

图5为Hartmann-Shack传感器内部原理图

图中，各标号代表的部件：准直光系统1、二维光线调节系统2、二维眼镜旋转架3、检测系统4、激光光源5、强度可调的滤光片6、目镜7、小孔8、消色差透镜9、直径可调的光阑10、平面反射镜11、平面反射镜12、消色差正透镜13、消色差正透镜14、轴向移动平台15、眼镜16、消色差正透镜17、消色差正透镜18、望远镜系统19、分光镜20、摄像头21、Hartmann-Shack传感器22、计算机23、光学平台24、侧向滑槽25、眼镜架26、水平面角度转台27、垂直面角度转台28、连接支架29、微透镜阵列30、CCD感光芯片31。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：准直光系统1、二维光线调节系统2、二维眼镜旋转架3、检测系统4。准直光系统1位于最前端，二维光线调节系统2呈L形位于准直光系统1之后，二维光线调节系统2之后依次为二维眼镜旋转架3、检测系统4，被测眼镜16放在二维眼镜旋转架3上。准直光系统1产生的准直光经过二维光线调节系统2后变成方向可调的准直光，通过眼镜16的被检测区域后，由检测系统测量眼镜16的各光学参数。准直光系统1、二维光线调节系统2、二维眼镜旋转架3、检测系统4的中心同轴。

所述准直光系统1，包括激光光源5、强度可调的滤光片6、20倍到40倍的目镜7、直径为3到10um小孔8、消色差透镜9和直径可调的光阑10。这些部件均固定在光学平台上，且各部件中心同轴。激光光源5位于最前端，滤光片6位于激光光源5的后方，滤光片6的后面依次是目镜7和小孔8。目镜7和小孔8组成一个空间滤波器。激光光源5发出的光经过滤光片6、目镜7和小孔8后的光斑最圆最亮时即为小孔8的最佳位置。小孔8后面是消色差透镜9，消色差透镜9的物方焦点与小孔8重合。直径可调光阑10位于消色差透镜9的后方。准直光束的直径可由可调节孔径的光阑10来控制。该光束直径可以与不同照明条件下人眼的典型孔径大小相匹配(2mm-7mm)。当用较小的光束直径检测时，模拟的是在较亮的照明条件下被测眼镜的光学质量。由于测量光束较小，测量点会相对较密，所得到的整张分布图更细致地反应了整块眼镜的光学质量。相反地，当用较大的直径检测时，模拟的是较暗的照明条件下的光学质量。

所述二维光线调节系统2，包括两个平面反射镜11和12、焦距相等的两个消色差正透镜13和14、轴向移动平台15。两个平面反射镜11和12、两个消色差正透镜13和14均固定在轴向移动平台15上。两个平面反射镜11和12、焦距相等的两个消色差正透镜13和14的中心同轴。轴向移动平台15可以在光学平台24上自由地沿轴向前后移动。两个平面反射镜11和12互相垂直，且与光轴成45度角。由准直光系统1产生的准直光经两个平面反射镜11和12反射后的方向与原方向相反。第二反射镜12的倾斜中心在第一消色差正透镜13的物方焦平面上。第二消色差正透镜14的物方焦点与第一消色差正透镜13的像方焦点重合构成望远镜系统。调节轴向移动平台15可让眼镜16的被测区域在第二消色差正透镜14的像方焦平面上。如图2所示，让第二平面反射镜12的倾斜中心o所在的平面c与眼镜16上的被检测区域d成物像共轭平面。当调节镜架的两个旋钮时，可以自由改变光的出射方向。例如在图2中，当调节旋钮时，第二平面反射镜12由位置a转到位置b，入射到平面d的光线的入射位置不变，入射方向就可以根据需要进行适当的调节。

如图3所示，所述二维眼镜旋转架3，包括侧向滑槽25、眼镜架26、水平面角度转台27、垂直面角度转台28和连接支架29。连接关系为：被测眼镜16固定在眼镜架26上。眼镜架26通过侧向滑槽25固定在垂直面角度转台28上。垂直面角度转台28通过连接支架29固定在水平面角度转台27上。水平面角度转台27又固定在光学平台24上。眼镜架26是一个透镜倾斜调节架，可以调节在垂直平面内眼镜16的倾角。侧向滑槽25可以让眼镜架26沿槽上下滑动，目的在于让眼镜16的配镜十字交叉点e与二维眼镜旋转架3的旋转中心同时在主光轴上。

当人眼偏转了一定角度透过眼镜看周围物体时，光线将依次透过眼镜、人眼瞳孔和眼球的旋转中心。如图4所示，该二维眼镜旋转架3可以让眼镜16的配镜十字点e以眼镜后方点f为原点进行水平方向和垂直方向的二维旋转。由于眼球旋转中心离眼镜的后顶点的平均距离为27mm，所以设定旋转半径为27mm。

所述检测系统，包括由第三、第四消色差正透镜17和18构成的望远镜系统19、分光镜20、摄像头21、Hartmann-Shack传感器22和计算机23。第三、第四消色差正透镜17和18、分光镜20、摄像头21和Hartmann-Shack传感器22均固定在光学平台24上。摄像头21和Hartmann-Shack传感器22分别与计算机23相连。

当光线通过眼镜片16后，形成一定的波前形式。由于光的传播会改变该波前形式，所以应该把Hartmann-Shack传感器22中的微透镜阵列的前表面与眼镜的被测区域的后表面重合。但是实际中很难做到，为解决这个困难，本发明在眼镜16后侧和Hartmann-Shack传感器22的前侧设置一个望远镜系统19。该望远镜系统19由第三、第四消色差正透镜17和18构成。眼镜16被测区域的后表面要在第三消色差正透镜17的物方焦平面上。第四消色差正透镜18的物方焦点与第三消色差正透镜17的像方焦点重合。光线通过眼镜16的被测区域后，透过望远镜系统19让该波前形式共轭到Hartmann-Shack传感器22中图5所示的微透镜阵列30的前表面。

在Hartmann-Shack传感器22和第四消色差正透镜18之间还放置了一个分光镜20。当没有测量眼镜16，也就是不引入任何波前形式时，光线以45度角入射到分光镜20的反射面，让出射光线与入射光线成90度角。在出射光线的后方设置摄像头21来观察光线的偏离情况。将眼镜16放在二维眼镜旋转架3上，通过计算机23得知光斑偏离中心的位置，然后可以计算出该测量点的棱镜度。

所述Hartmann-Shack传感器22可以采用由OKO公司提供的Hartmann-Shack传感器。Hartmann-Shack波前检测的过程是波前通过微透镜阵列30后被分为很多更小的波前，如图5所示。每一个更小的波前通过相对应的微透镜聚焦成一点成像到CCD感光芯片31。而很多的波前就可以在芯片31上组成点阵。由这些点阵可以通过计算机23计算每个点相对于对应的微透镜中心的位移。由这些位移矩阵可以通过更复杂的数学过程由软件来进行波前重建。

由于眼镜16有不同程度的棱镜度，所以出射眼镜16的光线相对入射光线有一定的偏角。而Hartmann-Shack传感器22主要由微透镜阵列30和CCD感光芯片31两部分组成。当有一定偏角的光线照射到微透镜阵列30时，由CCD感光芯片31所得到的点阵相对与芯片中心有一定的偏移。当棱镜度大到一定程度的时候，CCD感光芯片31不能获取到完整的点阵图。为了解决此问题，二微光线调节系统2可以起到相应的作用。该部分能够使入射到眼镜上的光线保持入射位置不变，而方向可以根据需要调节第二平面反射镜12支架上的两个旋钮而改变，让Hartmann-Shack传感器22不需要通过轴向移动就能够获取完整的点阵图。

采用上述结构的装置用于测量渐变多焦点镜片时，具体操作如下：

第一步：将准直光系统1中的激光光源5、强度可调的滤光片6、目镜7、小孔8、消色差透镜9和直径可调的光阑10、二维光线调节系统2中的两个平面反射镜11和12、焦距相等的第一、第二消色差正透镜13和14、二维眼镜旋转架3、检测系统4中的第三、第四消色差正透镜17和18、分光镜20、摄像头21、Hartmann-Shack传感器22的中心进行光路同轴等高调整。

第二步：通过Hartmann-Shack传感器22得到参考点阵图。

第三步：将眼镜16放在二维眼镜旋转架3上，调节侧向滑槽25使眼镜16的配镜十字点在主光轴上。

第四步：调节二维眼镜旋转架3中水平面角度转台27、垂直面角度转台28的角度让眼镜16随着二维眼镜旋转架3旋转到某固定点。通过摄像头21观察光斑的偏移量得知该点的棱镜度。然后在二维光线调节系统2中调节第二平面反射镜12支架上的两个旋钮使光斑又处于屏幕的中心位置。计算机运行软件可计算出该点的各参数如屈光度、散光度、棱镜度、各阶像差的泽尼克系数、点扩散函数(PSF)和光学传递函数(MTF)。

第五步：调节二维眼镜旋转架3到第二个固定点，用第四步描述的方法可得到第二个点的各个像差参数。依次将眼镜16旋转到不同的位置，其不同区域的光学质量就被检测到了。通过软件自动整理这些不同点的各参数最后可以得出整个眼镜16面上的各参数分布图。

利用本发明可以得到眼镜质量图，包括屈光度、散光度、棱镜度、各阶像差的泽尼克(Zernike)系数、PSF和MTF在整块镜面上的不同点的分布图。该装置较其他方法能更正确和精确地检测眼镜的像差特别是高阶像差且更有效地评估眼镜的像差对人眼视力的影响。

Claims (8)

1、一种眼镜片光学质量测量装置，包括：准直光系统、二维光线调节系统、二维眼镜旋转架、检测系统；其特征在于，准直光系统位于最前端，二维光线调节系统呈L形并位于准直光系统之后，二维光线调节系统之后依次为二维眼镜旋转架、检测系统，被测眼镜放在二维眼镜旋转架上，准直光系统、二维光线调节系统、二维眼镜旋转架、检测系统的的中心分别与光路中的光轴中心重合；

所述二维光线调节系统包括两个平面反射镜、第一消色差正透镜、第二消色差正透镜和轴向移动平台；两个平面反射镜、第一消色差正透镜、第二消色差正透镜均固定在轴向移动平台上，两个平面反射镜位于第一消色差正透镜、第二消色差正透镜的前面，两个平面反射镜、第一消色差正透镜、第二消色差正透镜的中心分别与光路的光轴中心重合，第二平面反射镜的倾斜中心在第一消色差正透镜的物方焦平面上，第二消色差正透镜的物方焦点与第一消色差正透镜的像方焦点重合构成望远镜系统；

所述检测系统包括第三消色差正透镜、第四消色差正透镜，分光镜，摄像头，波前像差检测传感器和计算机；眼镜被测区域的后表面要在第三消色差正透镜的物方焦平面上，第四消色差正透镜的物方焦点与第三消色差正透镜的像方焦点重合构成望远镜系统，在波前像差检测传感器和第四消色差正透镜之间还设有一个分光镜，摄像头和波前像差检测传感器分别与计算机相连。

2、根据权利要求1所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述准直光系统包括激光光源、滤光片、目镜、小孔、消色差透镜和光阑，这些部件均固定在光学平台上，且各部件中心同轴，激光光源位于最前端，滤光片位于激光光源的后方，滤光片后面依次是目镜和小孔，目镜和小孔组成一个空间滤波器，小孔后面为消色差透镜，消色差透镜的物方焦点与小孔重合，光阑位于消色差透镜的后方。

3、根据权利要求1所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述第一、第二消色差正透镜焦距相等。

4、根据权利要求1所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述两个平面反射镜互相垂直，且与光轴成45度角。

5、根据权利要求1所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述二维眼镜旋转架包括侧向滑槽、眼镜架、水平面角度转台、垂直面角度转台和连接支架；眼镜架通过侧向滑槽固定在垂直面角度转台上，垂直面角度转台通过连接支架固定在水平面角度转台上，水平面角度转台固定在现有的光学平台上。

6、根据权利要求5所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述波前像差检测传感器中的微透镜阵列的前表面设在第四消色差正透镜的像方焦平面上。

7、根据权利要求5所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述分光镜的反射面与光轴成45度角。

8、根据权利要求5所述的眼镜片光学质量测量装置，其特征是，所述摄像头对准分光镜的反射面并位于分光镜的后方。

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