CN109613694A - 使用变焦距液体透镜的验光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明使用变焦距液体透镜的验光装置，属于使用变焦距液体透镜的验光装置技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种使用变焦距液体透镜的验光装置；解决该技术问题采用的技术方案为：在验光仪箱体的内部设置有主控电路板、步进电机驱动板、电源模块，主控电路板上集成有中央控制器，步进电机驱动板上设置有电机驱动模块；验光仪箱体的侧壁上设置有LCD显示屏、控制面板；所述电机驱动模块的控制端与步进电机相连，步进电机安装在丝杠滑台上；丝杠滑台包括丝杆、滑轨、两个固定端、一个滑动端，所述滑动端设置在两个固定端的中间，丝杆、滑轨分别穿过固定端与滑动端设置，使滑动端可以在丝杆和滑轨上沿轴向方向滑动；本发明应用于验光装置。
Description
技术领域
本发明使用变焦距液体透镜的验光装置，属于使用变焦距液体透镜的验光装置技术领域。
背景技术
传统的验光配镜过程中需要不段更换镜片，并且镜片精确度只能达到0.25D的细分，且配镜过程繁琐、效率低、精度低，而目前使用的全自动电脑验光仪验光，成本极高，并且其验光准确性受很多不确定因素影响，如验光儿童的头和眼配合不好，动来动去，眼球注视验光仪内目标时不够集中，以致瞳孔角膜放松调节不够，必然影响屈光度检查结果的准确性，导致重复检查时两次检查度数差异较大，对儿童和屈光间质混浊的患者，电脑验光仪测试的误差较大，甚至不能检查出屈光度数；因此将电脑测定的屈光度数，作为配镜的唯一根据是不妥的。
鉴于配镜验光过程中出现的上述问题，有必要对现有配镜验光的仪器装置进行改进，一方面需要对镜片更换或其他过程进行简化，提高验光精确度，另一方面需要简化验光装置仪器的结构，降低验光及治疗成本。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种使用变焦距液体透镜的验光装置；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：使用变焦距液体透镜的验光装置，包括验光仪箱体，所述验光仪箱体的内部设置有主控电路板、步进电机驱动板、电源模块，所述主控电路板上集成有中央控制器，所述步进电机驱动板上设置有电机驱动模块；
所述验光仪箱体的侧壁上设置有LCD显示屏、控制面板；
所述电机驱动模块的控制端与步进电机相连，所述步进电机安装在丝杠滑台上；
所述丝杠滑台包括丝杆、滑轨、两个固定端、一个滑动端，所述滑动端设置在两个固定端的中间，所述丝杆、滑轨分别穿过固定端与滑动端设置，使滑动端可以在丝杆和滑轨上沿轴向方向滑动；所述固定端上还设置有限位传感器和零位检测传感器；
所述一侧的固定端上还设置有抽液装置的储液端，所述滑动端将抽液装置的活塞端进行固定；
所述抽液装置的出液端连接胶管的一侧，所述胶管的另一侧与液体透镜的进液端相连；
所述中央控制器通过导线分别与电机驱动模块、LCD显示屏、控制面板、限位传感器、零位检测传感器相连；
所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连；
所述中央控制器还通过导线与红外通信模块双向连接，所述红外通信模块与监控终端无线连接。
所述中央控制器使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为AT89S51，所述中央控制器的电路结构为：
所述控制芯片U1的18脚、19脚接时钟电路；
所述控制芯片U1的9脚接复位电路；
所述控制芯片U1的P1.0-P1.5端口并接控制面板的按键输入端后与红外通信模块相连；
所述控制芯片U1的P3.0、P3.2、P3.4端口与电机驱动模块的信号输入端相连；
所述控制芯片U1的P0.0-P0.7端口、P2.4、P2.6端口与LCD显示屏的信号输入端相连。
所述监控终端内部设置有红外信号发射模块，所述红外信号发射模块使用的芯片为红外通信芯片U2，所述红外通信芯片U2的型号为HS5104，所述红外信号发射模块的电路结构为：
所述红外通信芯片U2的K1-K6端口分别连接6个控制按键；
所述红外通信芯片U2的12脚、13脚接时钟电路；
所述红外通信芯片U2的14脚接LED指示灯；
所述红外通信芯片U2的1脚、2脚、16脚接红外通信天线。
所述红外通信模块内部设置有红外通信芯片U3和红外信号接收头U4，所述红外通信芯片U3的型号为AT89C2051，所述红外通信模块的电路结构为：
所述红外通信芯片U3的4脚、5脚接时钟电路；
所述红外通信芯片U3的6脚与红外信号接收头U4的1脚相连；
所述红外通信芯片U3的P1.0-P1.5端口接光电耦合器。
所述限位传感器具体为霍尔传感器，所述零位检测传感器具体为红外槽型传感器。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明通过设置验光专用的单片机控制系统，通过系统驱动电机控制抽液装置抽排透镜内液体，调节液体透镜中充液量，改变透镜焦距，实现变焦功能，替代传统验光不断更换镜片的繁琐过程，避免因患者乱动导致的验光误差，提高验光的精确度和效率，同时在验光装置外围设置有相应功能模块，使其实现远程控制，参数的控制与显示等功能；本发明克服传统电脑验光仪器笨重，价格昂贵的缺点，装置结构简单，制作成本低，使用方便，可在验光领域推广使用，另外在一些眼科疾病的治疗中，使用本发明也可以达到辅助治疗的目的。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明丝杠滑台的结构示意图；
图3为本发明的电路结构示意图；
图4为本发明中央控制器的电路图；
图5为本发明监控终端内部红外发射模块的电路图；
图6为本发明红外通信模块的电路图；
图7为本发明脉冲数与眼镜度数之间的拟合曲线；
图8为本发明验光主程序流程图；
图9为本发明抽液调节子程序流程图；
图中：1为验光仪箱体、2为电源模块、3为中央控制器、4为电机驱动模块、5为LCD显示屏、6为控制面板、7为步进电机、8为丝杠滑台、9为丝杆、10为滑轨、11为固定端、12为滑动端、13为限位传感器、14为零位检测传感器、15为抽液装置、16为液体透镜、17为红外通信模块、18为监控终端。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明使用变焦距液体透镜的验光装置，包括验光仪箱体1，所述验光仪箱体1的内部设置有主控电路板、步进电机驱动板、电源模块2，所述主控电路板上集成有中央控制器3，所述步进电机驱动板上设置有电机驱动模块4；
所述验光仪箱体1的侧壁上设置有LCD显示屏5、控制面板6；
所述电机驱动模块4的控制端与步进电机7相连，所述步进电机7安装在丝杠滑台8上；
所述丝杠滑台8包括丝杆9、滑轨10、两个固定端11、一个滑动端12，所述滑动端12设置在两个固定端11的中间，所述丝杆9、滑轨10分别穿过固定端11与滑动端12设置，使滑动端12可以在丝杆9和滑轨10上沿轴向方向滑动；所述固定端11上还设置有限位传感器13和零位检测传感器14；
所述一侧的固定端11上还设置有抽液装置15的储液端，所述滑动端12将抽液装置15的活塞端进行固定；
所述抽液装置15的出液端连接胶管的一侧，所述胶管的另一侧与液体透镜16的进液端相连；
所述中央控制器3通过导线分别与电机驱动模块4、LCD显示屏5、控制面板6、限位传感器13、零位检测传感器14相连；
所述中央控制器3的电源输入端与电源模块2相连；
所述中央控制器3还通过导线与红外通信模块17双向连接，所述红外通信模块17与监控终端18无线连接。
所述中央控制器3使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为AT89S51，所述中央控制器3的电路结构为：
所述控制芯片U1的18脚、19脚接时钟电路；
所述控制芯片U1的9脚接复位电路；
所述控制芯片U1的P1.0-P1.5端口并接控制面板6的按键输入端后与红外通信模块17相连；
所述控制芯片U1的P3.0、P3.2、P3.4端口与电机驱动模块4的信号输入端相连；
所述控制芯片U1的P0.0-P0.7端口、P2.4、P2.6端口与LCD显示屏5的信号输入端相连。
所述监控终端18内部设置有红外信号发射模块，所述红外信号发射模块使用的芯片为红外通信芯片U2，所述红外通信芯片U2的型号为HS5104，所述红外信号发射模块的电路结构为：
所述红外通信芯片U2的K1-K6端口分别连接6个控制按键；
所述红外通信芯片U2的12脚、13脚接时钟电路；
所述红外通信芯片U2的14脚接LED指示灯；
所述红外通信芯片U2的1脚、2脚、16脚接红外通信天线。
所述红外通信模块17内部设置有红外通信芯片U3和红外信号接收头U4，所述红外通信芯片U3的型号为AT89C2051，所述红外通信模块17的电路结构为：
所述红外通信芯片U3的4脚、5脚接时钟电路；
所述红外通信芯片U3的6脚与红外信号接收头U4的1脚相连；
所述红外通信芯片U3的P1.0-P1.5端口接光电耦合器。
所述限位传感器13具体为霍尔传感器，所述零位检测传感器14具体为红外槽型传感器。
本发明通过设置单片机控制丝杠滑台上的步进电机转动，从而控制液体透镜内充液量，改变其焦距，达到验光目的；本发明在使用前，需要通过多次测量得到电机脉冲数与在传统验光仪上测得的透镜度数之间的间断函数关系，在矩阵实验室MATLAB上拟合曲线自动生成拟合方程，拟合度差控制低于0.006，拟合结果准确度高。
本发明由专用验光仪箱体1进行封装，内部设置有多个控制模块，执行模块，在箱体外侧还设置有显示模块与控制模块，实现人机交互功能；所述箱体内的核心部件包括主控电路板和步进电机驱动板，分别为核心控制管理处理器和动作执行端，外围还设置有红外通信模块，用于实现远程无线控制验光装置，还设置有电源模块，用于给整个系统提供稳定电源。
本发明中央控制器3选用型号为AT89S51的单片机芯片对系统进行控制，该类型芯片具有8位CPU，片内RAM有128字节，片内ROM有4K字节，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I/O口，一个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源、两个中断优先级，一个片内时钟振荡器和时钟电路；中央控制器3主要完成以下功能：
（1）通过控制电机驱动模块从而控制步进电机正反转以及调速；
（2）接收控制面板键盘输入的信号，完成控制功能；
（3）接收限位传感器和零位检测传感器的检测信号，实现检测功能；
（4）接收红外无线信号，解码后输出指令。
所述电机驱动模块4使用的电机驱动板具体为TB6560步进电机驱动板，该型号驱动器是一款具有高稳定性、可靠性和抗干扰性的经济型步进电机驱动器，适用于各种控制环境；主要用于驱动35、39、42、57型4、6、8线两相混合式步进电机，其细分有4种，最大16细分，驱动电流范围为0.3A-3A，输出电流共14档，电流分辨率约为0.2A；该电机驱动模块具有自动半流，低压关断、过流保护和热停车功能。
本发明使用的输入设备包括：红外无线遥控输入和控制面板键盘输入，可以近距离通过按键控制，还能实现远距离红外无线控制；所述验光仪箱体1上设置的显示屏采用型号为LCD1602的液晶显示屏，具体为一种用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能同时显示16×2个字符，采用该类型液晶显示模块设置程序简单，制作节省成本。
本发明在使用时，验光人员通过操作监控终端或按键模块，根据需要按下相应按键，由中央控制器接收信号并控制步进电机采取相应动作，验光结束时在LCD显示屏上显示所测度数。
所述丝杠滑台8中搭载42型步进电机，内部设置有两条滑轨10，设置的丝杆9规格为8mm，双螺母消除回旋差，内部整合活塞刚性好，同时搭配霍尔开关防止损坏；由于丝杠滑台8上没有检测装置，稍不注意就会损坏装置，故在两个固定端各加一个霍尔开关，起到限位保护作用，当滑块上的磁铁到达霍尔开关检测范围时，霍尔开关作用，将信号传输给中央控制器，中央控制器控制步进电机停止转动；测量结束时，按下相应按键使滑动端恢复到零点位置，当滑动端到达零点位置时，零位检测传感器会感应到就位信号，零位检测传感器会发送就位信号给中央控制器，中央控制器控制步进电机停止动作结束复位。
所述液体透镜16由玻璃框架和两片PET薄膜组成，所述薄膜之间形成的空间填充硅油，硅油气泡少且对橡胶腐蚀性小，通过抽液可以制作出两个曲面，并形成一个非球面的凹透镜，所述玻璃框架选用有机玻璃通过数控雕刻机加工而成，使用光敏胶水粘结，低应力；所述抽液装置15与液体透镜16之间使用的胶管具体为硬质塑料高压管，耐负压。
中央控制器3的电路结构中，主要包括单片机复位电路、按键模块及LCD显示屏，其中端口P1.0-P1.5用来接收按键以及红外无线传输发射的控制信号，步进电机的控制口为P3.0、P3.2和P3.4，所述端口P1.0至P1.7及P2.4、P2.6连接LCD显示屏控制端，可以将验光结果数据显示在LCD显示屏上。
本发明使用红外无线通信模块实现对装置的远程控制，红外信号发射模块设置在监控终端内部，红外信号接收模块设置在红外通信模块17内部；其中，红外无线发射模块由HS5104型号的红外遥控编码发射器组成，端口k1至k6分别连接6个控制按键。
所述红外接收模块通过无线接收头1838接收无线信号，接收头输入端与红外接收控制芯片U1的P3.2端口相连，红外接收控制芯片U1的P1.0--P1.5接光电耦合器，实现光-电-光的转换。
本发明在使用前需进行MATLAB数据拟合实验，首先通过多次统计电机脉冲数与在传统验光仪上得到的液体透镜度数的数据，然后通过MATLAB处理电机脉冲数和液体透镜度数之间的函数关系，拟合到六次幂即可得到较为准确的结果，图7为拟合到六次幂的拟合曲线。
得到的拟合方程为：
；
拟合度差a=0.006；
如图8和图9所示，包含本发明的主程序流程和抽液调节子程序流程，液体透镜回零由安装在抽液装置上的红外槽型开关控制，若未到达零点，则硬件强制回零，通过软硬件配合使每次操作液体透镜可以准确从零点起始位置开始动作。
由于需要验光的人群有两种情况，一种是不知道自己眼睛度数范围，此时要求透镜度数从零度开始缓慢增加，另一种是知道自己眼睛度数范围，这时需要快速到达透镜度数的大致位置，然后使得透镜度数缓慢增高，提高验光效率，因此本发明为实现上述两种工作模式，要求可以控制步进电机快转或慢转，点动转动和连续转动；另外当测完左眼度数后，还要再次测量右眼度数，因此需要控制LCD显示屏分行显示左右眼度数。
所述控制面板6上设置有K1-K6六个功能键，功能分别为：K1控制电机转速调节，K2控制电机正传，K3控制电机反转，K4控制电机点动或者连续转动，K5控制电机在每次操作结束后复位，K6控制LCD液晶显示屏换行显示右眼度数，并且左眼度数保存显示。
使用过程如下：开始调节时按下K1键选择快速档位（若不按K1键即为选择了慢速档位），按下K2电机正传测量近视度数（或者按下K3键电机反转测量远视度数），其中若能模糊看清视力表时，按下K4键，电机选择点动输出档位抽液，期间如果抽液过多，即可按下K3键逆向调节抽液装置抽液（若测量远视度数时，按下K2键电机逆向调节抽液），多键配合调节透镜度数，直到看清楚为止；此时按下K6键LCD液晶屏换行显示右眼度数，开始调节右眼度数，此时左眼度数保存显示；重复左眼度数的调节过程，即能实现对右眼度数的调节；检测完毕后，按下K5键，配合抽液装置上的红外槽型开关，通过软硬件配合，使得变焦距液体透镜验光仪每次开机检测即为零点，保证精度。
使用本发明与现有专业的电脑验光仪进行验光对比，实施例使用的对比仪器为AUTOLENSMETER TL-1000验光仪。
比对试验中需进行几十次多组的精确测量，并与自动镜片检测仪检测数据进行对比，下表1为随机抽取的三组数据；本发明10度一档，当使用本发明测出患者度数时，将本机显示数据与电脑验光仪测量的配镜箱镜片度数做对比，数据几近一致，且本机显示更多段位的度数详细请看测量表格，见表1所示。
表1
从表1可以看出，检测度数在+175度～-250度之间时，检测结果不准确，在检测度数为-250度～-1000度之间，误差平均值在10度以内，有的度数范围基本到了零差值，检测结果基本准确；这是因为液体透镜是采用两片PET薄膜的形变实现的变焦，而PET薄膜有一定的形变范围，只有表面张力达到一定限度时，才会有规律的形变。
本发明达到的指标，本发明可以实现快速配镜，-250到-1000度之间的示数准确，精度可达到10度，省去传统配镜箱换镜片的繁琐过程，极大地降低装置仪器的生产成本，避免因患者动作导致的不确定性，提高精确度和效率，并且实现左右眼实时显示，方便验光。另外在一些眼科疾病的治疗中，可以达到辅助治疗的目的。
本发明采用液体透镜验光仪用于医学验光，操作简单，动作可靠，相比于专业医用器械成本低廉，通过薄膜塑型液体形状改变焦距，配合由单片机控制的步进电机，实时显示，自动归零，保证精度的同时方便操作，提高效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.使用变焦距液体透镜的验光装置，其特征在于：包括验光仪箱体（1），所述验光仪箱体（1）的内部设置有主控电路板、步进电机驱动板、电源模块（2），所述主控电路板上集成有中央控制器（3），所述步进电机驱动板上设置有电机驱动模块（4）；
所述验光仪箱体（1）的侧壁上设置有LCD显示屏（5）、控制面板（6）；
所述电机驱动模块（4）的控制端与步进电机（7）相连，所述步进电机（7）安装在丝杠滑台（8）上；
所述丝杠滑台（8）包括丝杆（9）、滑轨（10）、两个固定端（11）、一个滑动端（12），所述滑动端（12）设置在两个固定端（11）的中间，所述丝杆（9）、滑轨（10）分别穿过固定端（11）与滑动端（12）设置，使滑动端（12）可以在丝杆（9）和滑轨（10）上沿轴向方向滑动；所述固定端（11）上还设置有限位传感器（13）和零位检测传感器（14）；
所述一侧的固定端（11）上还设置有抽液装置（15）的储液端，所述滑动端（12）将抽液装置（15）的活塞端进行固定；
所述抽液装置（15）的出液端连接胶管的一侧，所述胶管的另一侧与液体透镜（16）的进液端相连；
所述中央控制器（3）通过导线分别与电机驱动模块（4）、LCD显示屏（5）、控制面板（6）、限位传感器（13）、零位检测传感器（14）相连；
所述中央控制器（3）的电源输入端与电源模块（2）相连；
所述中央控制器（3）还通过导线与红外通信模块（17）双向连接，所述红外通信模块（17）与监控终端（18）无线连接。
2.根据权利要求1所述的使用变焦距液体透镜的验光装置，其特征在于：所述中央控制器（3）使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为AT89S51，所述中央控制器（3）的电路结构为：
所述控制芯片U1的18脚、19脚接时钟电路；
所述控制芯片U1的9脚接复位电路；
所述控制芯片U1的P1.0-P1.5端口并接控制面板（6）的按键输入端后与红外通信模块（17）相连；
所述控制芯片U1的P3.0、P3.2、P3.4端口与电机驱动模块（4）的信号输入端相连；
所述控制芯片U1的P0.0-P0.7端口、P2.4、P2.6端口与LCD显示屏（5）的信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述的使用变焦距液体透镜的验光装置，其特征在于：所述监控终端（18）内部设置有红外信号发射模块，所述红外信号发射模块使用的芯片为红外通信芯片U2，所述红外通信芯片U2的型号为HS5104，所述红外信号发射模块的电路结构为：
所述红外通信芯片U2的K1-K6端口分别连接6个控制按键；
所述红外通信芯片U2的12脚、13脚接时钟电路；
所述红外通信芯片U2的14脚接LED指示灯；
所述红外通信芯片U2的1脚、2脚、16脚接红外通信天线。
4.根据权利要求3所述的使用变焦距液体透镜的验光装置，其特征在于：所述红外通信模块（17）内部设置有红外通信芯片U3和红外信号接收头U4，所述红外通信芯片U3的型号为AT89C2051，所述红外通信模块（17）的电路结构为：
所述红外通信芯片U3的4脚、5脚接时钟电路；
所述红外通信芯片U3的6脚与红外信号接收头U4的1脚相连；
所述红外通信芯片U3的P1.0-P1.5端口接光电耦合器。
5.根据权利要求1所述的使用变焦距液体透镜的验光装置，其特征在于：所述限位传感器（13）具体为霍尔传感器，所述零位检测传感器（14）具体为红外槽型传感器。
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