CN104605810A - 一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，包括：沿光轴依次设置的光源、狭缝和摄像机，待检测镜片设在狭缝和摄像机之间，且沿垂直于所述光轴的工作路径移动，所述待检测镜片的工作路径上设有若干个工作位，针对每个工作位，所述摄像机沿着所述光轴移动，并进行实时拍摄获取视频流；还包括数据处理模块，用于针对每个工作位下的视频流，从中选取清晰度最高的一帧图像，并根据该时刻对应的摄像机位置计算待检测镜片的屈光度。本发明的检测系统，使用方便，利用单点检测的原理，仅通过对待检测镜片进行位移，即获取整个镜片的屈光度，操作简单、易于实现。

Description

一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统

技术领域

本发明涉及视光学技术领域，具体涉及一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统。

背景技术

流行病学调查显示，近视已成为全球性医学和社会问题，特别在亚洲地区近视发病率逐年上升。在我国，近视患病率居高不下，其中小学生为22.7％，初中生猛增到55.2％，高中生则增加到70.3％，大学生的比例更是高达80％，近视成为困惑我国青少年健康成长的主要问题。另一方面，随着社会逐步进入老龄化，由于计划生育控制中国人口增长，从而导致中国社会老龄化的速度会更加快，目前老视患者的数量将达到或超过3亿，老视镜片的市场潜力是不可估量的。渐变镜片的出现无疑是一个巨大的飞跃，它是一种光焦度从上到下逐渐增加的镜片，随着人眼观察范围由远至今，这种镜片的光焦度逐渐增大。

随着市场的打开相应的渐变焦镜片检测仪器也将走红，如果单纯的从国外购买，不但仪器设备的价格昂贵，同时由于生产厂家的操作员工、眼镜店的验光师等受到学历的影响，对仪器的操作不能做到得心应手。基于上述情况，我们考虑从事专门针对渐变镜片检测的测试仪器的开发工作。我们研究的渐变焦检测仪器将具有以下几大优点：

(1)操作界面友好——采用自主开发的渐变焦检测仪操作软件；

(2)针对性强——为国内眼镜店验配渐变镜、生产厂检验渐变镜而设计；

(3)价格低廉——因为自主开发并且去除多余的功能所以可以有效降低价格，通过简单计算，初步预计市场销售价格在5万元左右；

(4)市场适应性强——产品推广后将很容易被国内眼镜店和生产镜片厂家所接受。

随着渐变镜片市场的不断拓宽，该项目研发的产品也将越来越红火，其取得的社会经济效益一定会非常的巨大。

同时在技术意义上，该项研究也可缩小我国在相关领域内同国外存在的技术差距，为日后我国在该领域内能取得长远发展而奠定坚实的基础。

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，必须测得尽可能多的点，得到各个点的球光度及散光度等参数。目前对渐进多焦点镜片的检测方法较多，主要检测方法有：单点测量法、莫尔偏折法、朗奇光栅法和哈特曼法。

单点测量法能实时精确的测出镜片一个较小区域中心点的屈光度分布信息，然而，虽然单点测量法能精确给出选取的光点的信息，但其只能一次性检测出镜片的一小片区域中心的屈光度分布，但鉴于渐进多焦点镜片对于镜片度数的严格控制，仅检测少数点对于评价整个渐进多焦点镜片屈光度的信息是远远不够的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统。

一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，包括：沿光轴依次设置的光源、狭缝和摄像机，待检测镜片设在狭缝和摄像机之间，且沿垂直于所述光轴的工作路径移动，所述待检测镜片的工作路径上设有若干个工作位，针对每个工作位，所述摄像机沿着所述光轴移动，并进行实时拍摄获取视频流；

还包括数据处理模块，用于针对每个工作位下的视频流，从中选取清晰度最高的一帧图像，并根据该时刻对应的摄像机位置计算待检测镜片的屈光度。

利用该检测系统检测待检测镜片(即渐进多焦点镜片)的屈光度时，首先将待检测镜片固定在某一工作位，然后移动摄像机与待检测镜片间的距离，使摄像机拍摄到的图像(拍摄到的狭缝)清晰，然后根据此时摄像机的位置计算镜片光照区域的屈光度。由于待检测镜片可以移动，因此，按照预设的工作路径将待检测镜片移动到下一个工作位(此时镜片的光照区域也相应的发生移动)，按照上述方法即可得到此时光照区域的屈光度。通过合理设置工作位，即可得到镜片上所有区域的屈光度。

作为优选，本发明中相邻工作位之间的距离为1mm，以确保检测结果的可靠性。

该检测系统通过使待检测镜片移动，利用单点测量法进行检测，具有原理简单清晰、操作方便、能精确迅速测量镜片各点信息的优点，且能完整的测出整个镜片的屈光度。

所述光源的中心点、狭缝的中心点、待检测镜片的远基准点以及摄像机镜头的面中心等高。

所述狭缝宽度为0～2mm，且连续可调。根据距离的使用情况可以调节狭缝宽度，进而得到最佳测试效果。

所述的狭缝到待检测镜片的距离(沿光轴的距离)为20～40cm。作为优选，所述狭缝到待检测镜片的距离为30cm。

本发明的检测系统还包括移动装置，所述移动装置通过步进电机带动摄像机沿所述光轴移动。相应的，所述的数据处理模块根据所述步进电机的移动步进获取清晰度最高的图像拍摄时刻下摄像机的位置。

为获取清晰度最高的图像，除了通过步进电机带动摄像机移动外，作为优选，所述摄像机的镜头可以进行手动调焦，相应为得到清晰度最高的图像拍摄时摄像机的位置，作为另一种实现方式，所述的移动装置上设有读数标尺，该读数标尺包括精读标尺和粗读标尺，粗读标尺用于显示步进电机带动的位置，粗读标尺用于显示手动调焦的位置，将粗读标尺和精度标尺的读数相加，即可得到此时摄像机的实际位置。

所述数据处理模块根据清晰度最高的图像的拍摄时摄像机与待检测镜片之间的距离计算该工作位下待检测镜片上光线照射区域的屈光度。本发明中采用图像中边缘点的锐度作为该图像的清晰度，计算时首先从所述图像中任意选取一个边缘点，并获取以该边缘点为中心、大小为3×3的图像块，然后根据如下公式计算边缘点的锐度P：

$P=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({[\max \left(f\right)-\min \left(f\right)]}^2/n),$

其中，max(f)为所述图像块中处于对角位置和中线位置上的两个像素点的灰度差的最大值，min(f)为所述图像块中处于对角位置和中线位置上的两个像素点的灰度差的最小值，n＝8。

本发明中采用逐个像元领域梯度的计算方法，即对某个像素点附近选取8个点，计算最大和最小灰度值，然后进行平方差求得图像每点周围的灰度扩散统计，其值越大，表明图像越清晰。

从实际获得图像以及焦距中，可以看出获得的图像效果质量较好，最终计算得到该工作位下待检测镜片的屈光度与实际屈光度的相对误差越小。在实际应用时，通过该算法计算一帧图像清晰度的时间大概在2ms，判断图像清晰大概在10帧左右完成，也就是整个自动对焦时间在20ms左右完成。

所述数据处理模块通过如下方法计算待检测镜片的屈光度D：

$D=\frac{\mathrm{xl}{H}^{\′\′}-l^2{H}^{\′\′}}{\mathrm{HF}+l{H}^{\′\′}+x{H}^{\′\′}}\×(-100),$

x是拍摄时摄像机的聚焦透镜与待检测镜片之间的距离，F是摄像机的聚焦透镜的焦距，l是狭缝到待检测镜片的距离，H是狭缝的高度，H″是摄像机拍摄到的狭缝的高度。

狭缝有上下两部分遮挡物组成，本发明中所指的狭缝高度与狭缝宽度是两个不同的概念，狭缝高度特指组成狭缝的上下两部分遮挡物的上下边缘的最远距离。

本发明的检测系统使用方便，利用单点检测的原理，仅通过对待检测镜片进行位移，即获取整个镜片的屈光度，且利用摄像机沿光轴移动，通过基于边缘点锐度的清晰度评价方法，大大提高了最终检测结果的准确性。

附图说明

图1为本实施例的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统的结构示意图；

图2为卤钨灯的光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本实施例的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，如图1所示包括沿光轴依次设置的光源1、狭缝2和摄像机3，待检测镜片4设在狭缝和摄像机之间，且沿垂直于光轴的工作路径移动，待检测镜片的工作路径上设有若干个工作位，针对每个工作位，摄像机沿着光轴移动，并进行实时拍摄获取视频流；

还包括数据处理模块(图中未示出，本实施例中数据处理模块为上位机，采用普通PC机)，用于针对每个工作位下的视频流，从中选取清晰度最高的一帧图像，并根据该时刻对应的摄像机位置计算待检测镜片的屈光度。

其中，光源1的中心点、狭缝2的中心点、待检测镜片4的远基准点以及摄像机3镜头的面中心等高。狭缝高度为10mm，狭缝宽度为0～2mm，且连续可调，狭缝到待检测镜片的距离为30cm。

一个合适的光源不仅可以提高成像质量，而且可以降低后续图像处理算法的复杂性。考虑待检测镜片的使用特性、CCD摄像机的光敏特性及各光源的特性，选用卤钨灯(工作电压12V)作为该装置中的光源，用海洋公司生产的USB4000光谱仪进行测量得到的光谱图如图2所示。从图中可以看出卤钨灯所发出的光的波长范围主要在400～700nm(可见光)，十分符合待检测镜片的实际应用。

本实施例的检测系统包括镜片固定移动装置，该镜片固定移动装置包括镜片固定夹具、丝杆、步进电机以及定位电路构成，步进电机在定位电路的作用下带动固定于镜片固定夹具上的待检测镜片移动，每移动一个步长即对应一个工作位。

本实施例中丝杆长度为11.50cm，螺距为1.0mm。步进电机型号为57BYG007-01，具体参数如下：相数，4；电压，12V；电流，0.38A；电阻，32Ω；电感，30mH；静转矩，0.35N.m；机身长，41mm；出轴长，21mm；重量，0.45Kg；电机齿数，50。采用四相八拍的工作方式，因此步矩角为0.9度。定位电路采用的是GK122光耦进行定位。

本实施例的检测系统还包括移动装置，移动装置通过步进电机带动摄像机沿光轴移动，步进电机的步长为0.01mm。数据处理模块根据步进电机的移动步数和步长即可获得摄像机的位置。

本实施例中的摄像机为CCD摄像机，相应的本实施例所指的摄像机的镜头应该理解为该CCD摄像机的聚焦透镜。

该CCD摄像机采用THDC公司生产的高分辨率器件作为图像的采集装置。该相机具有标准的USB2.0视图输出功能，实现与PC数据对接显现图像，同时可对显微标本图像进行录制、拍照和资料保存；拍摄的图片清晰透彻、色彩逼真、背景噪声小，分辨率可达1600*1200；可自动白平衡，在不同的光照环境下保持物体的色彩还原更好；在Win2000、XP及更高的系统下，无需安装专用的驱动程序；整机体积小巧美观，节省装配空间。移动装置可以载着CCD摄像机进行前后水平移动，通过清晰度评价函数找到最清晰的像，确定焦距，从推导出镜片的屈光度。

本实施例中数据处理模块根据清晰度最高的图像的拍摄时摄像机与待检测镜片之间的距离计算该工作位下待检测镜片上光线照射区域的屈光度。

为便于精确的获取图像的清晰度，本实施例中采用图像中边缘点的锐度作为该图像的清晰度，计算时首先从所述图像中任意选取一个边缘点，并获取以该边缘点为中心、大小为3×3的图像块，然后根据如下公式计算边缘点的锐度P：

$P=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({[\max \left(f\right)-\min \left(f\right)]}^2/n),$

其中，max(f)为所述图像块中处于对角位置和中线位置上的两个像素点的灰度差的最大值，min(f)为所述图像块中处于对角位置和中线位置上的两个像素点的灰度差的最小值，n＝8。

本实施例中数据处理模块通过如下方法计算待检测镜片的屈光度D：

$D=\frac{\mathrm{xl}{H}^{\′\′}-l^2{H}^{\′\′}}{\mathrm{HF}+l{H}^{\′\′}+x{H}^{\′\′}}\×(-100),$

x是拍摄时摄像机的聚焦透镜与待检测镜片之间的距离，F是摄像机的聚焦透镜的焦距(本实施例中F＝16mm)，l是狭缝到待检测镜片的距离，H是狭缝的高度，H″是摄像机拍摄到的狭缝的高度。

基于该检测系统对待检测镜片进行检测时，包括如下步骤：

第一步：打开仪器盒，将待检测镜片固定在镜片固定移动装置的夹具上，然后盖好仪器盒。

第二步：调节狭缝宽度，一般选择为0.1mm。(可根据实际应用情况进行微调。)

第三步：打开光源开关，将光源对准狭缝，并保持光源高度，这里采用直接挂在仪器入射狭缝上。

第四步：开启CCD摄像机及操作软件系统，将待检测镜片移动至预设的工作位上，然后移动摄像机，使其采集到的图像的清晰度经历模糊至清晰，再到模糊的变化过程，然后根据数据处理模块获取清晰度最高的图像，并根据此时摄像机的镜头到待检测镜片的距离计算得到该工作位对应的镜片区域的屈光度。

对Rodenstock GmbH公司生产的罗敦司得P系渐进个人型1.6嘉晶盾镜片进行了实际测试。该镜片为单层复合膜，无色泽镜片，其参数指标为：折射率n＝1.597，阿贝数Vd＝40.5。测试条件：光源为12V稳压供电的卤钨灯，狭缝宽度为0.1mm，物(狭缝)到待检测镜片的距离l＝300mm，使待检测镜片的远基准点(即待检测镜片上屈光度为1000度的点)与物、聚焦透镜、CCD面中心等高垂直。通过调节CCD摄像机前后距离，使其得到清晰的照片(狭缝的照片)，实际测得距离x＝85.80mm。实际测量值与理论计算值基本一致(理论值86.90mm)，精度为1.26％。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，包括：

沿光轴依次设置的光源、狭缝和摄像机，待检测镜片设在狭缝和摄像机之间，且沿垂直于所述光轴的工作路径移动，所述待检测镜片的工作路径上设有若干个工作位，针对每个工作位，所述摄像机沿着所述光轴移动，并进行实时拍摄获取视频流；

还包括数据处理模块，用于针对每个工作位下的视频流，从中选取清晰度最高的一帧图像，并根据该时刻对应的摄像机位置计算待检测镜片的屈光度。

2.如权利要求1所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述光源的中心点、狭缝的中心点、待检测镜片的远基准点以及摄像机镜头的面中心等高。

3.如权利要求1所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述狭缝宽度为0～2mm，且连续可调。

4.如权利要求1所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述的狭缝到待检测镜片的距离为20～40cm。

5.如权利要求1所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，还包括移动装置，所述移动装置通过步进电机带动摄像机沿所述光轴移动。

6.如权利要求5所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述数据处理模块根据所述步进电机的移动步进获取清晰度最高的图像拍摄时刻下摄像机与待检测镜片之间的距离。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述数据处理模块根据清晰度最高的图像的拍摄时摄像机与待检测镜片之间的距离计算该工作位下待检测镜片上光线照射区域的屈光度。

8.如权利要求7所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述数据处理模块采用图像中边缘点的锐度作为该图像的清晰度，计算时首先从所述图像中任意选取一个边缘点，并获取以该边缘点为中心、大小为3×3的图像块，然后根据如下公式计算边缘点的锐度P：

$P=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({[\max \left(f\right)-\min \left(f\right)]}^2/n),$

其中，max(f)为所述图像块中处于对角位置和中线位置上的两个像素点的灰度差的最大值，min(f)为所述图像块中处于对角位置和中线位置上的两个像素点的灰度差的最小值，n＝8。

9.如权利要求8所述的用于渐进多焦点镜片屈光度的检测系统，其特征在于，所述数据处理模块通过如下方法计算待检测镜片的屈光度D：

$D=\frac{{\mathrm{xlH}}^{\′\′}-l^2{H}^{\′\′}}{\mathrm{HF}+{\mathrm{lH}}^{\′\′}+x{H}^{\′\′}}\×(-100),$

x是拍摄时摄像机的聚焦透镜与待检测镜片之间的距离，F是摄像机的聚焦透镜的焦距，l是狭缝到待检测镜片的距离，H是狭缝的高度，H″是摄像机拍摄到的狭缝的高度。