CN102288392A - 一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置包括：光源、准直物镜、二维朗奇光栅、被测样镜、投影接收屏、成像物镜、光电探测器，探测时平行光穿过被测样镜，然后经过二维朗奇光栅，将扭曲的光栅条纹投影在接收屏上，然后以接收屏为物面，利用成像物镜和光电探测器对接收屏上的光栅进行成像，结合后期的数据处理，获取被测镜片的光焦度。本发明结构简单、稳定，加工工艺易实现，相对于现有的自由曲面镜片光焦度测量技术而言，能够简化整套系统的安装、调节，实现批量化生产。

Description

一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于光学参数测量的检测设备，特别是一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，适用于自由曲面眼镜片的光焦度测量。

背景技术

目前对镜片的检测，主要用自动焦度计检测。自动焦度计已成为眼镜行业所必备的仪器之一。自动焦度计通常由光学系统、精密机械、光电检测器件(通常为CCD传感器)及电气控制等部分组成，涉及光、机、电等方面的知识。自动焦度计用单点测量法。它在镜片的主光轴附近对称选取4个光点，用面阵图像传感器，采集4个光点的图像，根据4个光点的位置计算出镜片的顶焦度参数。单点测量法能精确给出各点信息，但它只能实时测出镜片的一个小区域中心的屈光度分布信息，不能给出整个面的屈光度分布信息，对于检测渐进多焦点镜片具有局限性。

随着渐进多焦点镜片的广泛应用，其相应的检测技术也在不断发展。由于渐进多焦点镜片的屈光度在整个表面范围内都不相同，且其面形是一种非轴对称的回转面，因此仅测量少数的点或母线对于评价渐进多焦点镜片的整个面形是远远不够的，必须测得整个面的面形分布，得到各个点的顶焦度参数。因此传统的单点测量法已经不能适用于现有镜片测量的需求。

目前国内普遍采用哈特曼原理开展自由曲面镜片光学质量的测量。如中国发明专利申请号“200710041119.3”和“200510041215.3”中描述了基于哈特曼光阑的渐进多焦点镜片光焦度测量方法：通过测量平行光穿过被测镜片时带有的波前像差信息，复原镜片的光焦度。该方法测量时间短，抗环境干扰强，但是其量程较小，且精度不高。以色列Rotlex公司根据测量莫尔条纹干涉的原理，研制了Classplus系列产品，实现自由曲面毛坯镜片的光焦度测量设备。该项技术通过测量放入被测镜片前后形成的莫尔条纹形变，重构出被测镜片的光焦度信息。该方法的测量精度高，但是对于莫尔条纹的数据处理复杂。而且条纹干涉的方法，必然对于应用环境的要求较高，不能满足眼镜门店等环境扰动较大的工作场合。

国际上已有的一些文献报道(“Progressive addition lenses power map measurementusing Ronchi test techniques”，Proceedings of SPIE Vol.5144(2003))，如图1所示，采用朗奇光栅的方法进行自由曲面镜片光焦度的测量，该方法将平行光穿过被测镜片表面，出射的光束经过朗奇光栅后，使得一维的光栅条纹形变，并通过成像物镜将形变后的光栅条纹聚焦到光电探测器上；最终通过对出射的带有被测镜片光学信息的光栅图像处理，获取镜片的光焦度信息。这种方法精度高、抗环境干扰强。但是报道的文献中，采用了一维的朗奇光栅，因此为了获取被测镜片光焦度信息，必须要采用机械旋转装置，对一维朗奇光栅进行旋转(一般旋转90°)。通过旋转前后两幅图像的叠加，形成为被测镜片的二维网格划分，进而进行测量，所以该方法的测量时间较长。此外，报道的文献中利用成像物镜直接将透过被测镜片的光栅聚焦到光电探测器上，因此当被测样品的光焦度不同时，必然要求成像物镜也具备不同的焦距——也就是说系统需要采用变焦物镜，从而增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，从而简化了系统规模，降低了成本，且加工工艺易实现。本发明的技术解决方案是：基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，包括光源、准直物镜、被测样品、二维朗奇光栅、接收屏、成像物镜、光电探测器。其主要采用了二维的朗奇光栅，从而取消了旋转装置；采用接收屏接收透过被测镜片的光栅图像，然后以接收屏作为物面，利用定焦物镜将接收屏上的光栅图像成像到光电探测器上，避免采用了变焦物镜。

所述光源是中心波长为540nm的光源。

所述光源可以是发光二极管(LED)，也可以是中心波长为540nm的激光二极管(LD)或者激光器。

所述接收屏可以是毛玻璃散射屏，也可以是光学树脂散射屏。

所述光电探测器为CCD、CMOS、PSD、PDA等探测器。

所述后期通过对该图像的处理，获得被测样品的光焦度信息的过程主要分如下步骤：

(1)系统标定：在装置第一次运行或者长期使用导致精度出现问题的情况下，需要对系统进行标定。方法是：在装置中不放入样品，使得平行光直接照射二维朗奇光栅，光电探测器获取的带有平面波信息的二维朗奇光栅条纹图像，将作为系统实际测试时的基准。

(2)样品测试：在装置中放入已知光焦度的自由曲面镜片作为被测样品，光电探测器最终获取的带有标准球镜光焦度信息的，扭曲的二维朗奇光栅条纹图像，后期通过对该条纹图像和标定形成的条纹图像，进行的数据处理，就可以获得被测样品的光焦度信息。

(3)光焦度计算算法：可以通过光线追迹的方法获取，如图3所示(a代表系统标定时，在光电探测器某一子孔径获取二维朗奇光栅某一亮条纹图；b代表光电探测器的某一子孔径区域；c代表样品测试落在子孔径内的实际亮条纹)。

根据图3的显示，X和Y方向光束的斜率计算，如公式(1)所示。其中U和V分别代表X/Y方向的斜率；Δx与Δy分别代表标定时的二维朗奇光栅亮条纹中心与样品测试时的亮条纹中心，在X和Y方向的间距；f为光电探测器前的成像物镜的焦距。

$u=\frac{\mathrm{\Δx}}{f};$ $v=\frac{\mathrm{\Δy}}{f}---\left(1\right)$

上面的公式可以计算被测镜片不同区域的波前斜率值，然后可以利用哈特曼波前传感器中广泛应用的Zernike模式法进行波面复原，从而被测样品不同区域的Zernike离焦像差，该像差就是自由曲面镜片对应区域的光焦度分布。

本发明的原理是：光源准直出射的平行光穿过被测镜片和二维朗奇光栅后，被接收屏接收；被测镜片的光学性质使得二维朗奇光栅条纹形变(会聚、发散或者扭曲都有可能)，形变的二维朗奇光栅条纹被接收屏接收；接收屏上形变的二维朗奇光栅条纹作为物面，被成像物镜成像到光电探测器上；利用计算机对形变的二维朗奇光栅条纹处理，获取被测镜片的光焦度。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明相比于报道的一维朗奇光栅方法而言，取消了机械旋转装置和变焦镜头，从而简化了系统规模，系统的安装、调节，降低了成本，且易于加工，可以实现批量化生产。

(2)本发明利用二维朗奇光栅实现对被测样品的空间分割，因而类似于哈特曼光阑法，具备较快的成像速度。同时相比对莫尔条纹方法而言，数据处理简单。

附图说明

图1为背景技术“Progressive addition lenses power map measurement using Ronchitest techniques”中提及的基于一维朗奇光栅的自由曲面光焦度测量装置示意图；

图2为本发明的基于二维朗奇光栅的自由曲面光焦度测量装置示意图；其中：光源1，准直物镜2，被测样品3，二维朗奇光栅4，接收屏5，成像物镜6，光电探测器7；

图3为本发明中光电探测器上某子孔径标定条纹与样品实测条纹之间的X/Y方向的偏移量示意图；其中：a代表系统标定时，在光电探测器某一子孔径获取二维朗奇光栅某一亮条纹图；b代表光电探测器的某一子孔径区域；c代表样品测试落在子孔径内的实际亮条纹；

图4为本发明中样品实测时获取的二维朗奇光栅条纹图。

具体实施方式

如图2所示，当利用本发明所属装置进行自由曲面光焦度测量时，将分做如下步骤开展：

(1)光电探测器划分子孔径：该步骤主要像素数为N×M的光电探测器靶面，划分为n×n个子孔径区域，每个子孔径区域占据K×K个像素数(如图3中b对应的子孔径示意图)。

(2)系统标定：系统标定时，整套装置中不放入任何被测样品。光源1发出的光束经过准直物镜2后透穿过二维朗奇光栅4，达到接收屏5；接收屏5的后向散射光被成像物镜6聚焦到光电探测器7上形成二维朗奇光栅条纹图像，获取的平行光照射的二维朗奇光栅条纹，此时二维朗奇光栅X与Y方向亮条纹的交叉点落光电探测器对应的子孔径区域，将作为被测样品3测试时的基准。

(3)样品测试：光源1发出的光束经过准直物镜2后，平行照射到被测样品3，然后带有被测样品3光焦度信息的出射光束，透过二维朗奇光栅4达到接收屏5上，形成二维朗奇光栅条纹形变；接收屏5的后向散射光被成像物镜6聚焦到光电探测器7上形成扭曲了的二维朗奇光栅条纹图像(如图4所示)。后期通过对该图像和标定形成的图像，进行的数据处理，就可以获得被测样品3的光焦度信息。

具体的光焦度计算方法，可以通过光线追迹的方法获取，如图3所示：a代表系统标定时，在光电探测器某一子孔径获取二维朗奇光栅某一亮条纹图；b代表光电探测器的某一子孔径区域；c代表样品测试落在子孔径内的实际亮条纹。

根据图3的显示，X和Y方向光束的斜率计算，如公式(1)所示。其中U和V分别代表X/Y方向的斜率；Δx与Δy分别代表标定时的二维朗奇光栅亮条纹中心与样品测试时的亮条纹中心，在X和Y方向的间距，f为光电探测器前的成像物镜6的焦距；

$u=\frac{\mathrm{\Δx}}{f};$ $v=\frac{\mathrm{\Δy}}{f}---\left(1\right)$

公式(1)可以计算被测镜片不同区域的波前斜率值，然后利用哈特曼波前传感器中广泛应用的Zernike模式法进行波面复原，得到Zernike波前像差，从而获取被测样品不同区域的Zernike离焦像差，该像差就是自由曲面镜片对应区域的光焦度分布。

Claims (6)

1.一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，其特征在于：包括光源(1)、准直物镜(2)、被测样品(3)、二维朗奇光栅(4)、接收屏(5)、成像物镜(6)、光电探测器(7)；光源(1)发出的光束经过准直物镜(2)后，平行照射到被测样品(3)，然后带有被测样品(3)光焦度信息的出射光束，透过二维朗奇光栅(4)达到接收屏(5)；接收屏(5)的后向散射光被成像物镜(6)聚焦到光电探测器(7)上形成图像，后期通过对该图像的处理，获得被测样品(3)的光焦度信息。

2.根据权利要求1所述的基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，其特征在于：所述光源(1)是中心波长为540nm的光源。

3.根据权利要求1或2所述基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，其特征在于：所述光源(1)是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)或者激光器。

4.根据权利要求1所述的基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，其特征在于：所述接收屏(5)是毛玻璃散射屏或光学树脂散射屏。

5.根据权利要求1所述的基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，其特征在于：所述光电探测器(7)为CCD、CMOS、PSD或PDA。

6.根据权利要求1所述的基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置，其特征在于：所述后期通过对该图像的处理，获得被测样品(3)的光焦度信息的过程如下：

第一，系统标定：在装置中不放入样品，使得平行光直接照射二维朗奇光栅，光电探测器(7)获取的带有平面波信息的二维朗奇光栅条纹图像，将作为系统实际测试时的基准；

第二，样品测试：在装置中放入已知光焦度的自由曲面镜片作为被测样品，光电探测器(7)最终获取的带有标准球镜光焦度信息的，扭曲的二维朗奇光栅条纹图像，后期通过对该条纹图像和标定形成的条纹图像，进行的数据处理，就可以获得被测样品的光焦度信息；

第三，光焦度计算：通过光线追迹的方法获取，X和Y方向光束的斜率计算，如公式(1)所示，其中U和V分别代表X/Y方向的斜率；Δx与Δy分别代表标定时的二维朗奇光栅亮条纹中心与样品测试时的亮条纹中心，在X和Y方向的间距，f为光电探测器前的成像物镜(6)的焦距，

$u=\frac{\mathrm{\Δx}}{f};$ $v=\frac{\mathrm{\Δy}}{f}---\left(1\right)$

上面公式计算被测镜片不同区域的波前斜率值，然后利用Zernike模式法进行波面复原，从而被测样品不同区域的Zernike离焦像差，该像差就是自由曲面镜片对应区域的光焦度分布。

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