CN111397852A

CN111397852A - 一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法

Info

Publication number: CN111397852A
Application number: CN202010127358.6A
Authority: CN
Inventors: 乐孜纯; 毛强
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-07-10

Abstract

一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，微控制器模块输出控制信号，驱动器驱动步进电机，步进电机驱动待测镜片固定架并带动待测的体状或微棱镜镜片转动，所述控制信号控制步进电机带动镜片从初始位置逆时针开始转动，如果检测到激光光束，停止步进电机，计算旋转的角度和棱镜度；步进电机旋转的角度θ与待测的体状或微棱镜镜片的棱镜度PD、镜片材料的折射率n和镜片中微棱镜结构的棱角α有关，它们的关系由公式(1)和公式(2)决定，当PD为30Δ时对应的电机旋转角度为零度，即电机的初始位置。本发明不仅大幅度减小了检测系统的尺寸，同时可以自动控制测量过程，测量更加简便，还能有效减少人为操作带来的误差，提高测量精度。

Description

一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法

技术领域

本发明涉及体状或微结构棱镜镜片的棱镜度测量技术，以及实现测量系统的智能化设计和棱镜度智能检测系统的构建，特别是用于斜视矫正镜片的棱镜度智能检测方法。

背景技术

棱镜度是衡量棱镜光学性能及其功能实现的重要指标，目前尚无标准测量方法和测量系统，更无智能化的棱镜度检测系统。

棱镜特别是微棱镜阵列，近年来在眼视光领域有非常重要的应用，比如用于儿童斜视矫正，以及其他需要调节眼镜镜片光学中心的场合。比如斜视，是儿童眼疾病中比较常见的病症之一，发病率在2％-3％左右。近年来，基于微棱镜结构的斜视矫正镜片开始应用于儿童斜视的直接治疗或者术前、术后的辅助治疗。医疗机构的报告表明，矫正镜片在隐性斜视、共同性斜视、麻痹性斜视等治疗方面取得了不错的临床治疗效果。矫正镜片由一组菲涅尔微结构三棱镜整齐排列组成，用于实现对入射光线的折射控制。与传统的体状光学棱镜相比，基于微棱镜结构的斜视矫正镜片具有镜片薄、重量轻、矫正准确度高等优点。

随着棱镜和微棱镜阵列在眼视光领域的广泛应用，镜片棱镜度的精准检测成为了保证镜片质量的关键环节。文献调研结果发现，有关棱镜和微棱镜镜片的棱镜度检测系统的研究很少，与本发明最接近的技术是本发明发明人的在先技术成果(发明专利ZL201510778524.8和ZL201510782777.2)。已有技术的检测系统存在测量的精度和稳定性不高、操作不够简便、系统尺寸过大，以及手动测量会造成人为误差等问题。为了解决已有技术的不足，亟需进行技术方案和系统的优化和改进，包括缩小系统的尺寸，提高测量的精度和稳定性，尽量减少测量过程中人为操作带来的误差，实现系统的智能化检测。

发明内容

为了克服已有棱镜度测量系统存在的系统尺寸过大、测量过程复杂、测量精度不高等问题，本发明提供一种检测精度高且稳定性好的体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，不仅大幅度减小了检测系统的尺寸，同时可以自动控制测量过程，测量更加简便，还能有效减少人为操作带来的误差，提高测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，实现所述方法的检测系统包括激光光源、待测镜片固定架、步进电机驱动模块、光路调节模块、光电检测模块、信号放大模块和微控制器模块，所述待测镜片固定架用于安装固定待测的体状或微棱镜镜片，待测的体状或微棱镜镜片位于所述激光光源的出射方向，所述步进电机驱动模块包括步进电机和用于驱动步进电机的驱动器，所述步进电机与所述待测镜片固定架相连，用于负载所述待测镜片固定架并带动其转动；所述激光光源发出的光束、待测的体状或微棱镜镜片、光路调节模块和光电检测模块的光电探测器形成光路，所述光电检测模块与信号放大模块连接，所述信号放大模块与所述微控制器模块，所述微控制器模块与所述驱动器连接，所述检测方法的过程如下：

所述微控制器模块输出控制信号，所述驱动器驱动步进电机，所述步进电机驱动待测镜片固定架并带动待测的体状或微棱镜镜片转动；所述控制信号控制步进电机带动镜片从初始位置逆时针开始转动，如果检测到激光光束，停止步进电机，计算旋转的角度和棱镜度；

所述步进电机旋转的角度θ与待测的体状或微棱镜镜片的棱镜度PD(Δ)、镜片材料的折射率n和镜片中微棱镜结构的棱角α有关，它们的关系由公式(1)和公式(2)决定，当PD为30Δ时对应的电机旋转角度为零度，即电机的初始位置；

θ＝sin^-1(n*sin(α+sin^-1(sin(θ)/n)))-16.699 (1)

PD＝100*tan(sin^-1(n*sin(α))-α) (2)。

进一步，所述微控制器模块输出控制步进电机的脉冲信号给所述步进电机驱动模块，所述步进电机驱动模块的驱动器与所述步进电机连接，为所述步进电机提供驱动电源，所述步进电机驱动模块包含细分电路，将电机的一个脉冲信号细分为多个脉冲信号来提高所述步进电机的转动精度并消除步进电机的低频振荡。

再进一步，所述信号放大模块将接收到的电信号进行差分放大，使电信号达到微控制器模块能够识别的阈值，并发送到微控制器模块的输入端，微控制器模块将接收到的电信号进行A/D转换，转换成数字信号后读取并分析数据，根据数据分析结果向步进电机发送停止信号，并计算步进电机转过的角度，得出镜片的棱镜度值。

更进一步，所述光路调节模块包括顺序放置的一个可变光阑和两个平面反射镜，所述可变光阑用于改变激光光束束径的大小，所述平面反射镜用于折转光线的传播路径以便缩小整个检测系统的尺寸，激光束经过两个平面反射镜的两次光路折转，将检测系统的长度缩小到原尺寸的四分之一。

优选的，所述可变光阑和第一个平面反射镜到待测镜片中心的纵向距离与横向距离比L:D为0.3:1，确保激光光束以出射角γ出射时可通过可变光阑，经过两个平面反射镜反射后被光电检测模块接收，γ为16.699°。

所述光电检测模块包括一个光电探测器和一个信号采集电路，所述光电探测器用于捕捉来自所述平面反射镜的光线，所述信号采集电路将捕捉到的光信号转换成电信号并反馈给信号放大模块；所述信号放大模块用于将采集到的信号进行增益处理后再发送到微控制器模块，同时读取并记录该信号的值；所述微控制器模块用于整个检测系统的程序控制，通过编写程序实现检测系统对镜片棱镜度的智能测量。

所述检测系统还还包括显示模块，所述显示模块用于显示检测到的数据和信息，例如棱镜度值，所述显示模块与所述微控制器模块连接。

所述的待测镜片固定架固定在步进电机的转轴上，将待测镜片安装在固定架上，确定待测镜片的中心正对步进电机的转轴。

所述的显示模块可以使用但不限于液晶显示屏，显示测量得到的镜片的棱镜度值。

本发明的技术构思为：激光光源发射出激光光束，激光光束经过负载在步进电机上的待测镜片时会发生光束偏折，偏折后的激光光束经平面反射镜两次反射后照在光电探测器上。因不同棱镜度的镜片对激光光束的偏折程度不同，所以需要不断地移动反射镜和光电探测器，增加了测量的难度。通过控制步进电机带动所测镜片转动可以使激光光束一直以相同的角度γ出射。当光电探测器件接收到激光光束时步进电机停止转动，步进电机转过的角度值就可以换算成镜片的棱镜度值。整个系统由微控制器模块提供程序化控制，实现镜片棱镜度的智能化测量。

本发明的有益效果主要表现在：将光学检测方法与智能控制的方法相结合，有效地提高了镜片棱镜度的测量精度，大幅度减小了检测系统的尺寸，简化了操作流程。

附图说明

图1是本发明一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测系统的示意图。其中，1为激光光源，2为待测镜片固定架，3为步进电机，4为可变光阑，5、6为平面反射镜，7为光电检测模块，8为信号放大模块，9为微控制器模块，10为驱动器，11为显示模块。

图2是本发明一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测系统的系统智能控制流程图。

图3是本发明中步进电机旋转度数与镜片棱镜度之间关联曲线的理论值和实际测量值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，实现所述方法的检测系统包括激光光源1、待测镜片固定架2、步进电机驱动模块、光路调节模块、光电检测模块7、信号放大模块8和微控制器模块9，所述激光光源1发出的激光照射到待测体状或微棱镜镜片上；所述待测镜片固定架2用于安装固定待测的体状或微棱镜镜片；所述步进电机驱动模块包括步进电机3和驱动步进电机的驱动器10，所述步进电机与3所述待测镜片固定架2相连，用于负载所述待测镜片固定架2并带动其转动；所述光路调节模块包括顺序放置的一个可变光阑4和两个平面反射镜5、6，所述可变光阑4用于改变激光光束束径的大小，所述平面反射镜用于折转光线的传播路径以便缩小整个检测系统的尺寸，激光束经过两个平面反射镜5、6的两次光路折转，将检测系统的长度缩小到原尺寸的四分之一；所述光电检测模块7包括一个光电探测器和一个信号采集电路，所述光电探测器用于捕捉来自所述平面反射镜的光线，所述信号采集电路将捕捉到的光信号转换成电信号并反馈给信号放大模块；所述信号放大模块8用于将采集到的信号进行增益处理后再发送到微控制器模块9，同时读取并记录该信号的值；所述微控制器模块9用于整个检测系统的程序控制，通过编写程序实现检测系统对镜片棱镜度的智能测量，所述微控制器模块9与所述驱动器10连接；所述检测方法的过程如下：

所述微控制器模块9输出控制信号，所述驱动器10驱动步进电机3，所述步进电机3驱动待测镜片固定架2并带动待测的体状或微棱镜镜片转动，所述控制信号控制步进电机3带动镜片从初始位置逆时针开始转动，如果检测到激光光束，停止步进电机3，计算旋转的角度和棱镜度；

所述步进电机3旋转的角度θ与待测的体状或微棱镜镜片的棱镜度PD(Δ)、镜片材料的折射率n和镜片中微棱镜结构的棱角α有关，它们的关系由公式(1)和公式(2)决定，当PD为30Δ时对应的电机旋转角度为零度，即电机的初始位置；

θ＝sin^-1(n*sin(α+sin^-1(sin(θ)/n)))-16.699 (1)

PD＝100*tan(sin^-1(n*sin(α))-α) (2)。

所述检测系统还包括显示模块11，所述显示模块11用于显示检测到的数据和信息，所述微控制器模块9与所述显示模块11连接。

优选的，所述的微控制器模块9可以采用但不限于STM32F103RC型号的单片机，用于程序的存储和运行。

所述的微控制器模块9输出端口与驱动器10连接，所述微控制器模块9输出控制步进电机的脉冲信号给所述步进电机驱动模块，所述步进电机驱动模块的驱动器10与所述步进电机3连接，为所述步进电机3提供驱动电源。所述步进电机驱动模块包含细分电路，将电机的一个脉冲信号细分为多个脉冲信号来提高所述步进电机的转动精度并消除步进电机的低频振荡。

再进一步，所述信号放大模块将接收到的电信号进行差分放大，使电信号达到微控制器模块能够识别的阈值，并发送到微控制器模块的输入端，微控制器模块将接收到的电信号进行A/D转换，转换成数字信号后读取并分析数据，根据数据分析结果向步进电机发送停止信号，并计算步进电机转过的角度，得出镜片的棱镜度值并通过显示模块显示。

所述的待测镜片固定架2固定在步进电机3的转轴上，将待测镜片安装在固定架上，确定待测镜片的中心正对步进电机3的转轴，步进电机3带动镜片从初始位置逆时针转动，直到接收到微控制器模块9的停止信号，然后停止转动。

所述的待测镜片的中心、可变光阑4的中心、两个平面反射镜5、6的中心、光电探测器的中心同轴，并与激光光源发出的光束同轴。所述激光光源发出的激光光束从待测镜片经过两个平面反射镜反射后到光电检测模块的光程为1000mm。

更进一步，所述可变光阑4和第一个平面反射镜5到待测镜片中心的纵向距离与横向距离比L:D为0.3:1，确保激光光束以出射角γ出射时可通过可变光阑，经过两个平面反射镜反射后被光电检测模块接收，γ为16.699°。

所述光电检测模块中的光电探测器可以采用但不限于两个引脚的硅光电二极管，用于将接收到的激光光束转变成电信号，再将电信号通过引脚传输给所述信号放大模块。

一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测系统如图1所示，其中1为激光光源、2为待测镜片固定架、3为步进电机、4为可变光阑，5和6为平面反射镜、7为光电检测模块、8为信号放大模块、9为微控制器模块、10为步进电机的驱动器、11为显示模块。将待测镜片安装在待测镜片固定架2上，打开激光光源1，在微控制器模块9上设置开始，然后检测系统会自动检测出镜片的棱镜度值并显示在显示模块上。图2是本发明检测系统智能化测量的程序控制流程图。图3中，实线代表的是镜片棱镜度与旋转角度的理论计算值，圆圈代表的是系统实验测得的棱镜度值。由图3的测量结果可以看出，理论值与实测值基本吻合，本发明一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测系统具有很高的测量精度。

本实施例的具体参数：镜片材料选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，折射率为1.492。可变光阑到所测镜片中心的纵向距离L为75mm，横向距离D为250mm。信号放大模块的增益倍数为100。实验测得的步进电机旋转的角度θ与镜片棱镜度PD(Δ)的数据如表1所示，θ_L为根据公式(1)和公式(2)计算的理论值，θ为系统的实际测量值。

表1。

Claims

1.一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，实现所述方法的检测系统包括激光光源、待测镜片固定架、步进电机驱动模块、光路调节模块、光电检测模块、信号放大模块和微控制器模块，所述待测镜片固定架用于安装固定待测的体状或微棱镜镜片，待测的体状或微棱镜镜片位于所述激光光源的出射方向，所述步进电机驱动模块包括步进电机和用于驱动步进电机的驱动器，所述步进电机与所述待测镜片固定架相连，用于负载所述待测镜片固定架并带动其转动；所述激光光源发出的光束、待测的体状或微棱镜镜片、光路调节模块和光电检测模块的光电探测器形成光路，所述光电检测模块与信号放大模块连接，所述信号放大模块与所述微控制器模块，所述微控制器模块与所述驱动器连接，所述检测方法的过程如下：

所述微控制器模块输出控制信号，所述驱动器驱动步进电机，所述步进电机驱动待测镜片固定架并带动待测的体状或微棱镜镜片转动，所述控制信号控制步进电机带动镜片从初始位置逆时针开始转动，如果检测到激光光束，停止步进电机，计算旋转的角度和棱镜度；

θ＝sin^-1(n*sin(α+sin^-1(sin(θ)/n)))-16.699 (1)

PD＝100*tan(sin^-1(n*sin(α))-α) (2)。

2.如权利要求1所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述微控制器模块输出控制步进电机的脉冲信号给所述步进电机驱动模块，所述步进电机驱动模块的驱动器与所述步进电机连接，为所述步进电机提供驱动电源，所述步进电机驱动模块包含细分电路，将电机的一个脉冲信号细分为多个脉冲信号来提高所述步进电机的转动精度并消除步进电机的低频振荡。

3.如权利要求1或2所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述信号放大模块将接收到的电信号进行差分放大，使电信号达到微控制器模块能够识别的阈值，并发送到微控制器模块的输入端，微控制器模块将接收到的电信号进行A/D转换，转换成数字信号后读取并分析数据，根据数据分析结果向步进电机发送停止信号，并计算步进电机转过的角度，得出镜片的棱镜度值。

4.如权利要求1或2所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述光路调节模块包括顺序放置的一个可变光阑和两个平面反射镜，所述可变光阑用于改变激光光束束径的大小，所述平面反射镜用于折转光线的传播路径以便缩小整个检测系统的尺寸，激光束经过两个平面反射镜的两次光路折转，将检测系统的长度缩小到原尺寸的四分之一。

5.如权利要求4所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述可变光阑和第一个平面反射镜到待测镜片中心的纵向距离与横向距离比L:D为0.3:1，确保激光光束以出射角γ出射时可通过可变光阑，经过两个平面反射镜反射后被光电检测模块接收，γ为16.699°。

6.如权利要求1或2所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述光电检测模块包括一个光电探测器和一个信号采集电路，所述光电探测器用于捕捉来自所述平面反射镜的光线，所述信号采集电路将捕捉到的光信号转换成电信号并反馈给信号放大模块；所述信号放大模块用于将采集到的信号进行增益处理后再发送到微控制器模块，同时读取并记录该信号的值；所述微控制器模块用于整个检测系统的程序控制，通过编写程序实现检测系统对镜片棱镜度的智能测量。

7.如权利要求1或2所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述检测系统还还包括显示模块，所述显示模块用于显示检测到的数据和信息，所述显示模块与所述微控制器模块连接。

8.如权利要求1或2所述的一种体状及微棱镜镜片的棱镜度智能检测方法，其特征在于，所述的待测镜片固定架固定在步进电机的转轴上，将待测镜片安装在固定架上，确定待测镜片的中心正对步进电机的转轴。