CN109186955B - 渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备及方法，其中设备包括：光源；分光器，与光源连接，用于将光源发出的光分为两路；还包括：第一准直器和第二准直器，分别通过光纤与分光器的两个输出端连接，用于输出方向水平的光线；直角棱镜，设于第一准直器和第二准直器之间，用于将第一准直器和第二准直器输出的光线反射至镜片上；镜片固定装置，设于直角棱镜下方，用于固定镜片并调节镜片的位置和角度；CMOS传感器，设于镜片下方，用于接收并采集由镜片折射后的光线。与现有技术相比，本发明通过采用分光器的方式，可以实现对同一镜片的两个位置进行同时测量，进而可以提高测量效率。

Description

渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备及方法

技术领域

本发明涉及一种焦度测量技术，尤其是涉及一种渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备及方法。

背景技术

信息社会高速发展，人80％的信息通过眼睛获得，好视力对人至关重要。据统计50％的人需要视力矫正，最常用的辅助视力矫正的手段就是配戴眼镜，从传统的近视、远视常规镜片，到现在特殊用途的双光镜片、多焦点镜片、渐进多焦点镜片、非球面镜片和防控镜片等自由曲面镜片，可谓日新月异，而制造镜片和配镜检查都必须使用准确的计量测量设备，焦度计的应用由此而产生。

焦度计也称屈光力计及镜片测度仪，主要用于眼镜片光学参数的测量，是视光学的重要光学测试仪器。主要测量镜片后顶点屈光力和光学中心，以及柱面镜片屈光力及轴位方向的测量和镜片棱镜及其基底方向的测量。镜片质量和配镜的质量直接影响配镜者视力健康，焦度计是镜片生产和配镜检查的必备国家强制计量检测仪器，是镜片生产和消费者配镜的质量保证，焦度计伴随着眼镜市场高速发展而发展。

据调查，市场上现有的焦度计镜片焦度测量主要是使光源发出的光通过镜片落到CMOS上面形成一个光斑，经过图像处理得到光斑中心点到光轴的距离，进而通过计算得到镜片的焦距和焦度，这样不能满足渐变焦镜片等特殊镜片多个焦距的测量。随着多焦点镜片、渐变焦镜片等多特殊镜片的普及，传统的焦度计一次只能测得一个一个区域的焦度已经不能满足需求。

同时，随着近视和老花等问题日趋严峻。特别对于青少年和中老年人群来说，特别需要一副眼镜既能满足远近用实际使用需求，同时在镜片配戴过程中，又不会有视觉影响，影响配戴效果。而渐进多焦点镜片是在双光镜、三光镜以及多焦眼镜的基础上设计的自由曲面镜片，克服了光焦度突变造成的像跳和镜片表面有光焦度突变界痕等缺点，只用一块镜片就可以矫正所有视场的视力。对于渐变焦眼镜来说，青少年和中老年人群在配戴之前需要对镜片进行精确的测量，才能真正的达到矫正屈光不正的效果。而镜片的光焦度等参数的准确度和镜片安装于镜架中的精确度主要取决于焦度计，所以发明一种能精确的测量渐进多焦点的焦度计的重要性不可忽略。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备，包括：

光源；

分光器，与光源连接，用于将光源发出的光分为两路；

第一准直器和第二准直器，分别通过光纤与分光器的两个输出端连接，用于输出方向水平的光线；

直角棱镜，设于第一准直器和第二准直器之间，用于将第一准直器和第二准直器输出的光线反射后得到反射光线射至镜片上；

镜片固定装置，设于直角棱镜下方，用于固定镜片并调节镜片的角度；

CMOS传感器，设于镜片下方，用于接收并采集由镜片折射后的光线；

镜片固定装置，设于直角棱镜下方，用于固定镜片并调节镜片的位置和角度；

CMOS传感器，设于镜片下方，用于接收并采集由镜片折射后的光线。

所述第一准直器和第二准直器分别固定在XY移动台上，通过XY移动台调整反射光线入射至镜片上的位置。

所述直角棱镜的直角边位于底边下方，且底边水平设置。

一种测量设备的方法，包括：

步骤S1：调节第一准直器和第二准直器的光线方向为水平；

步骤S2：光线先经直角棱镜反射为竖直方向，再经镜片折射落在CMOS传感器；

步骤S3：采集CMOS传感器上形成的光斑的位置；

步骤S4：根据镜片的姿态和光斑位置计算得到实际焦距；

步骤S5：根据实际焦距和设定焦距计算误差。

所述步骤S4中，当焦点位于主轴上，且镜片水平姿态时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片和CMOS传感器之间的距离，h₁为入射至镜片光线的中心与主轴的距离，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离。

所述步骤S5中，当焦点位于主轴上，且镜片水平姿态时，误差为：

其中：ΔD为焦度误差，h₂为根据设定焦距得到经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的理论距离。

所述步骤S4中，当焦点偏离主轴，且镜片水平姿态时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片和CMOS传感器之间的距离，h₁为入射至镜片光线的中心与主轴的距离，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离，Δh为实际焦点偏离主轴的距离。

所述步骤S5中，当焦点偏离主轴，且镜片水平姿态时，误差为：

其中：ΔD为焦度误差，h₂为根据设定焦距得到经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的理论距离。

所述步骤S4中，当镜片存在水平倾斜时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片和CMOS传感器之间的距离，h₁为入射至镜片光线的中心与主轴的距离，θ为镜片的旋转角度，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)通过分光器和直角棱镜实现渐进多焦度点镜片远近用区域双通道焦度测量，可以提高测试效率。

2)通过调节准直器的空间位置可以实现在不改变镜片位置的情况下对镜片上各处的焦距和焦度的测试。

3)通过旋转镜片，可以实现在实际佩戴情况下，所用镜片的焦度测量。

附图说明

图1是本发明所述的远近用区域激光双通道焦度测量设备示意图；

图2是本发明所述的焦点在光轴上的测量原理图；

图3为本发明所述的焦点在光轴外的测量原理图；

图4为本发明所述的镜片实际配戴过程中的测量原理图；

其中：1、光源，2、分光器，3、光纤，4、光纤，5、第一准直器，6、第二准直器，7、直角棱镜，8、镜片，9、CMOS传感器，10-1、XY移动台，10-2、XY移动台，11、光线，12、光线，13、反射光线，14、反射光线，13a、折射光线，14a、折射光线，15、光斑，16、光斑，17、光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

一种渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备，如图1所示，包括：

光源1；

分光器2，与光源1连接，用于将光源发出的光分为两路；

还包括：

第一准直器5和第二准直器6，分别通过光纤3、4与分光器2的两个输出端连接，用于输出方向水平的光线11、12；

镀有反射膜的直角棱镜7，设于第一准直器5和第二准直器6之间，用于将第一准直器5和第二准直器6输出的光线反射后得到反射光线13、14至镜片8上；

镜片固定装置，设于直角棱镜7下方，用于固定镜片8并调节镜片8的位置和角度；

CMOS传感器9，设于镜片8下方，用于接收并采集由镜片8折射后的光线13a、14a。

镜片固定装置包括镜片支座和和一个摆角台，通过摆角台可以调整镜片与直角棱镜反射光的夹角。

直角棱镜7的直角边位于底边下方，且底边水平设置。第一准直器5和第二准直器6分别固定在XY移动台10-1，10-2上，通过XY移动台10-1，10-2调整反射光线13，14入射至镜片8上的位置。

光源1发出的光束17经过分光器2的分光作用，转化为两束光进入光纤3和4到达准直器5和6，准直器使得光纤传出的发散光变成平行光11和12后经过镀有反射膜的直角棱镜7，反射出的光线13和14透过镜片8，产生折射光线13a和14a，并且在CMOS传感器9上形成两个光斑15和16。当镜片8发生旋转时，折射光线13a和14a的折射方向也发生变化，落在CMOS传感器上面光斑15和16的位置也发生了改变。

通过调整XY移动台10-1和10-2的竖直方向和水平方向的移动，可以改变镜片上入射点的高度，进而测量多焦点镜片的焦度。

当两个光斑15和16的圆心偏离CMOS上的X轴向位置时，说明镜片的焦点偏离光轴，此时不需要重新调整镜片位置，可根据光斑位置调整准直器5和6改变光线11和12入射方向。

一种测量设备的方法，包括：

步骤S1：调节第一准直器5和第二准直器6的光线方向为水平；

步骤S2：光线先经直角棱镜7反射为竖直方向，再经镜片8折射落在CMOS传感器9；

步骤S3：采集CMOS传感器9上形成的光斑的位置；

步骤S4：根据镜片8的姿态和光斑位置计算得到实际焦距；

步骤S5：根据实际焦距和设定焦距计算误差。

步骤S4中，当焦点位于主轴上，且镜片8水平姿态时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片8和CMOS传感器9之间的距离，h₁为入射至镜片8光线的中心与主轴的距离，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离。

步骤S5中，当焦点位于主轴上，且镜片8水平姿态时，误差为：

其中：ΔD为焦度误差，h₂为根据设定焦距得到经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的理论距离。

步骤S4中，当焦点偏离主轴，且镜片8水平姿态时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片8和CMOS传感器9之间的距离，h₁为入射至镜片8光线的中心与主轴的距离，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离，Δh为实际焦点偏离主轴的距离。

步骤S5中，当焦点偏离主轴，且镜片8水平姿态时，误差为：

其中：ΔD为焦度误差，h₂为根据设定焦距得到经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的理论距离。

步骤S4中，当镜片8存在水平倾斜时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片8和CMOS传感器9之间的距离，h₁为入射至镜片8光线的中心与主轴的距离，θ为镜片8的旋转角度，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离。

具体的，当被测镜片8倾斜放置在镜片支座上时，且凸面向上，用固定镜片支架压住镜片，此时光源1发出的光束17经过分光器2的分光作用，转化为两束光3和4进入光纤到达准直器5和6，准直器使得光纤传出的发散光3和4变成平行光11和12后经过镀有反射膜的直角棱镜7，反射出的光线13和14透过镜片8到达CMOS 9，形成两个光斑15和16。当两个光斑的圆心恰好在屏幕上水平直径上时，说明镜片8的焦点恰好在光轴上，通过公式计算得所测镜片的理论焦距为

镜片的实际焦距为

(Δh₂＝h₂₂-h₂)。由于焦度D＝1/f，

若l＝10mm,h₁＝4mm，CMOS的每个像素的物理尺寸为4μm×4μm，并假设误差为一个像素(单个方向，X或Y方向)则ΔD＝0.01D，1D＝100度，即0.01D＝1度。

对于渐变焦镜片，测量时可以通过调整准直器5和6可以改变光线方向，使光线从镜片8的不同位置透射到CMOS 9上，通过观察屏幕上光斑边缘到屏幕圆心的距离可以找到镜片最高度数所在位置，而不需要调整镜片位置即可找出镜片最高度数的位置。

图2是本发明测量眼镜镜片的度数时焦点在光轴上的测量原理图。变量包括：入射光18其中心到主轴的距离h₁、理论上入射光20经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂、实际入射光19经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂₂、CMOS到镜片的距离l、镜片的理论/设计焦距f₀，且

实际入射光的焦点

通过公式

计算得所测镜片的度数。

先是由已知量入射光中心18到主轴的距离h₁、理论上入射光20经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂、实际入射光19经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂₂和CMOS到镜片的距离l，求得镜片的理论/设计焦距f₀、实际入射光的焦点f，焦度为f的倒数，镜片的度数是焦度的100倍。

接下来进行误差分析：若l＝10mm,h₁＝4mm，CMOS的每个像素的物理尺寸为4μm×4μm，并假设误差为一个像素(单个方向，X或Y方向)则ΔD＝0.01D，1D＝100度，即0.01D＝1度。

图3是本发明测量眼镜镜片度数时焦点在光轴外的测量原理图。变量包括：入射光18中心到主轴的距离h₁、理论上入射光22经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂、实际上入射光21经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂₂、CMOS到镜片的距离l、镜片的理论/设计焦距f₀，且

实际入射光21的焦点f，且

实际焦点偏离主轴的距离Δh、实际焦距与理论焦距的差值

因此，我们可以求得焦度误差为

假设h₂₂＝h₂,

图4表示的是镜片实际配戴过程中的测量焦距图，即镜片发生了一定角度的偏转。当平行光23入射镜片后，产生折射光线24，光斑落在CMOS上的C点，折射光线24的反向延长线与横轴交于点O。入射光线25是垂直射入旋转后的凹镜片的，产生折射光线26，其反向延长线与主轴交于点F，EF的距离就是焦距f。

入射光经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂，该值可以根据图像处理获得。先根据国标规定的焦度计的焦度测量范围，假设焦距f已知，求得h₂的范围，进而选择合适的CMOS。已知入射光中心到主轴的距离h₁，CMOS到镜片的距离l，凹镜片的旋转角度θ，由ΔOAB～ΔOCD得到

旋转角度θ的范围在12°到15°之间。分别代入公式并作差解得h₂的范围，然后进行CMOS的合理选型。

实际上，入射光经过镜片后在CMOS上的投影到主轴的距离h₂是已知的，而焦距f未知，根据三角形相似的原理可以计算得出镜片的焦距

焦度

Claims (6)

1.一种渐进多焦点镜片远近用区域双通道焦度测量设备的测量方法，所述测量设备包括：

光源(1)，

分光器(2)，与光源(1)连接，用于将光源发出的光分为两路，

其特征在于，还包括：

第一准直器(5)和第二准直器(6)，分别通过光纤(3、4)与分光器(2)的两个输出端连接，用于输出方向水平的光线(11、12)，

直角棱镜(7)，设于第一准直器(5)和第二准直器(6)之间，用于将第一准直器(5)和第二准直器(6)输出的光线反射后得到反射光线(13、14)射至镜片(8)上，

镜片固定装置，设于直角棱镜(7)下方，用于固定镜片(8)并调节镜片(8)的角度，

CMOS传感器(9)，设于镜片(8)下方，用于接收并采集由镜片(8)折射后的光线(13a、14a)；

所述第一准直器(5)和第二准直器(6)分别固定在XY移动台(10-1，10-2)上，通过XY移动台(10-1，10-2)调整反射光线(13，14)入射至镜片(8)上的位置；

所述镜片固定装置包括镜片支座和用于固定镜片支座并旋转镜片支座的摆角台；

所述直角棱镜(7)的直角边位于底边下方，且底边水平设置；

所述方法包括：

步骤S1：调节第一准直器(5)和第二准直器(6)的光线方向为水平；

步骤S2：光线先经直角棱镜(7)反射为竖直方向，再经镜片(8)折射落在CMOS传感器(9)；

步骤S3：采集CMOS传感器(9)上形成的光斑的位置；

步骤S4：根据镜片(8)的姿态和光斑位置计算得到实际焦距；

步骤S5：根据实际焦距和设定焦距计算误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，当焦点位于主轴上，且镜片(8)水平姿态时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片(8)和CMOS传感器(9)之间的距离，h₁为入射至镜片(8)光线的中心与主轴的距离，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，当焦点位于主轴上，且镜片(8)水平姿态时，误差为：

其中：ΔD为焦度误差，h₂为根据设定焦距得到经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的理论距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，当焦点偏离主轴，且镜片(8)水平姿态时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片(8)和CMOS传感器(9)之间的距离，h₁为入射至镜片(8)光线的中心与主轴的距离，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离，Δh为实际焦点偏离主轴的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，当焦点偏离主轴，且镜片(8)水平姿态时，误差为：

其中：ΔD为焦度误差，h₂为根据设定焦距得到经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的理论距离。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，当镜片(8)存在水平倾斜时，实际焦距为：

其中：f为实际焦距，l为镜片(8)和CMOS传感器(9)之间的距离，h₁为入射至镜片(8)光线的中心与主轴的距离，θ为镜片(8)的旋转角度，h₂₂为经过镜片折射后的光线在CMOS传感器上的投影到主轴的实际距离。

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