CN1122910A - 镜片大口径自动测量仪 - Google Patents

Abstract

一种镜片大口径自动测量仪，用于镜片或隐形镜片大口径范围中光学中心、球面屈光度、柱面屈光度和轴向以及棱镜度和底轴等光学性质的测量。它用扫描列阵光束发生器产生多单元细光束扫描被测镜片，用付里叶变换透镜产生折射光束的偏振角，用光电位置探测器转换偏振角信号为电信号，输进图像处理器内运算，最后显示和打印出两维分布。本发明的优点是大口径无机械移动一步实时测量、操作自动化、结构简单、能直接形象精确地取得大口径范围内的全部光学性质数据。

Description

镜片大口径自动测量仪

本发明属于焦度仪(屈光度仪)类型的光电子自动化检测仪器，主要用于眼镜片或隐形镜片的大口径范围中的光学中心、球面屈光度、柱面屈光度和轴向以及棱镜度和底轴等光学性质的测量。尤其适用双焦、多焦和变焦镜片光学中心位置的测量，和变焦镜片的整体测量。

到目前为止，眼镜片光学性质的测量主要采用两类屈光度仪。第一类是光学顶点屈光度仪，基本原理采取焦距仪的方式，测量时转动读数手轮使清晰地观察十字线的中心，这时该仪器手轮上给出了屈光度值，在仪器主轴线上给镜片打上印记代表光学中心位置。这类仪器采用目镜观察或投影观察，采用标尺刻度读数或电子数字化读数。第二类是全自动屈光度仪，一般采用四束光束扫描镜片，检测其偏折可计算出屈光度，测量时在仪器载物架上放置被测镜片即可显示出屈光度等光学性质数据，同时也给出镜片光学中心偏离仪器主轴方向的指示，移动镜片使指示表明两中心符合，这时正确给出光学性质数据，在该类仪器的主轴上给镜片打上标记代表光学中心位置。这两类仪器只能对镜片的一个小区域测出该区域中心所代表的镜片的屈光度等光学性质，有如下缺点：

1.不能对镜片的大口径范围进行无机械移动的一步性测量。

2.不能实时给出镜片大口径范围的光学中心位置、球面屈光度、柱面屈光度、棱镜度、柱镜轴向和棱镜底轴的数值的两维分布。

3.不能同时测定双焦、多焦和变焦镜片的各光学中心位置。

4.不能区分变焦镜片的视近区、视远区、变焦区和畸变区，不能测定变焦区中屈光度渐变的情况，不能测定畸变区中的畸变情况。

5.不能区分多焦镜片的各个视区。

6.不能以图象方式显示和表征镜片大口径范围内的光学性质分布的情况。

还应当说明：多焦镜片和变焦镜片还没有专用的测量仪器。

本发明的目的为克服上述已有技术的问题，是用扫描列阵光束发生器的多单元平行细光束依次照射被测镜片，用一个付里叶变换透镜把镜片折射的光束变换到光电位置探测器上，用电子计算机的图象处理器收集并处理这些折射角数据，并通过列阵照明器参考坐标点上的折射角数据可计算出与各点有关的光学中心位置、球面屈光度、柱而屈光度及轴向和棱镜度及底轴的数值，因此一次扫描整个列阵光束发生器就能求得整个测量口径上的全部光学性质的两维分布数值，用图象处理技术在显示屏上即可形象地显示出光学性质的两维分布，也可数字化给出测量结果，打印机输出的两维数据图附贴在镜片上也能实时地给出镜片的光学性质分布。

本发明的镜片大口径自动测量仪，在光学系统上沿光路行进方向从扫描列阵光束发生器15开始，依次是置放被测镜片6的载物架5、滤光片7、付里叶变换透镜8、光电位置探测器9，电子系统是由光电位置探测器9输出电讯号通过模数转换电路10进入图象处理器11，图象处理器11通过扫描驱动电路12连到扫描列阵光束发生器15，图象处理器还带有显示器13和打印机14。

一、光学系统

为保证测量精度，扫描列阵光束发生器15的多单元细光束采用方格形列阵排列，其扫描列阵光束发生器15的输出口径L_d为圆形或方形，单元细光束占有面积与占空面积比以1∶4-1∶1为宜，单元细光束之间的间隔以1mm-5mm为宜。为保证镜片的大口径测量，扫描列阵光束发生器15的有效输出口径L_d为φ30mm—φ60mm为宜，帧率等于或大于3帧/秒为宜。

扫描列阵光束发生器有多种结构，如由点光源11、扩束准直系统2、反射镜3和电记址空间光调制器4所构成的；或者是单光束源，角度偏转器和微透镜所构成；或者是两维发光二极管和微透镜列阵所构成；或者是二维激光二极管列阵和微透镜列阵所构成。

光电位置探测器是位置灵敏器件，为保证屈光度测量范围和测量精度，它的位置定位精度好于1/1000。

光电位置探测器也可以是光电池列阵，光电二极管列阵，光电三极管列阵，电荷耦合器件或电荷注入器件。为保证测量精度，这些器件的探测单元采用与扫描列阵光束发生器15的单元细光束排列格形相同的方格形排列，其探测有效口径D_d也为圆形或方形，探测单元占有面积与占空而积之比也以1∶4--1∶1为宜，单元数以400×400--5000×5000为宜。

为保证扫描列阵光束发生器扫描时的光电位置探测器的整幅采样，整个光电位置探测器的采样，转换和存储时间应小于扫描列阵光束发生器一个单元细光束的单元光电开关或发光器件周期时间。光电位置探测器9与扫描列阵光束发生器15按其几何排列图案是平行置放如图4所示或者两者成45°角置放。

在上述扫描列阵光束发生器15的第一种结构情况下，扫描列阵光束发生器的输出口径应等于或大于电记址空间光调制器4的有效口径。扩束准直系统可以是准直透镜也可以是扩束透镜，空间滤波小孔和准直透镜的组合。

为与扫描列阵光束发生器15的口径匹配，付里叶变换透镜8的有效口径S_d应当大于其有效输出口径L_d。为保证像质，付里叶变换透镜8的相对孔径取1∶1.5--1∶3为宜。为保证最大屈光度值的测量，付里叶变换透镜的焦距f与光电位置探测器列阵的有效口径D_d之比应当等于或小于8∶1，即f∶D_d＝8∶1。

为减少环境杂散光产生的噪声和产生标准波长，在载物架5前后加入滤光片7或干涉滤光片。

载物架5能支撑被测眼镜片6或隐形镜片，并附有可伸缩的固定装置用于固定被测镜片6。

为记录被测镜片6在仪器上的位置，仪器有可伸缩的打印标志的装置。

为方便地调整被测镜片6的放置位置，仪器在载物架5附近有可移动的挡板。

为缩小仪器的外形尺寸，光学系统的主轴上有一个或更多的反射镜3。

二、电子系统

为保证扫描，采样和计算的同步，图象处理器11作为主控计算机控制扫描列阵光束发生器15的驱动，以及控制光电位置探测器9的采样和本身的计算执行程序。所以，图象处理器11通过模数转换电路10与光电位置探测器9相连，图象处理器11通过扫描驱动电路12与扫描列阵光束发生器15相连。

为存储采样数据，计算结果和计算中间结果，图象处理器有一个或更多的内存储器，有数字化和两维图象显示器。

为保证采样和处理的同步，采样和处理交替进行。为保证处理速度达到实时性，存储器是图象处理器的内存。

为控制扫描列阵光束发生器15上所输出的每个单元细光束的形状持续时间，扫描驱动电路12内含有与其单元细光束数量相等的并与其单元细光束一一相对应的控制单元细光束持续周期的单元光电开关或发光器件。

本发明具有如下明显的优点：

1.能对镜片的大口径范围进行无机械移动的一步性测量。

2.能实时地给出镜片大口径范围上光学中心位置，球面屈光度，柱面屈光度，棱镜度，柱镜轴向和棱镜底轴的数值的两维分布。

3.能同时测定双焦，多焦和变焦镜片的各光学中心位置。

4.能区分变焦镜片的各个视区，能测定变焦区中屈光度渐变的情况，能测定畸变区中的畸变情况。

5.能区分多焦镜片的各个视区。

6.能以图象方式显示和表征镜片大口径范围内的光学性质分布的情况。

7.测量自动化，操作简单。

8.测量范围大，精度高。

9.棱镜度测量时不需附加补偿用的标准棱镜。

10.以1∶1比例的打印图象直接表征多焦和变焦镜片的特征。

11.保留了普通自动屈光度仪只测量仪器主轴方向一小区域上光学性质的功能。

附图说明：

图1是本发明镜片大口径自动测量仪一种实施例的系统示意图。

图2是电记址空间光调制器4的单元排列格式示意图。

图3是物面上计算点排列示意图。

图4是光电位置探测器9的取向示意图。

图5是计算点位置示意图。

下而结合附图进一步详细说明本发明

实施例：

如图1是本发明的一个实施例的系统示意图。照明点光源1是卤素灯。扩束准直系统2采用一准直透镜2产生扩大的平行照明光。反射镜3是为缩小仪器的外形尺寸而设置的。电记址空间光调制器4是液晶器件，排列格式为方格形，如图2所示。受图象处理器11控制而逐次开通其包含的单元电光开关。一个开关通时产生一单元细光束照射放于载物架5上的被测镜片6，滤光片7滤去环境杂散光，产生标准测试波长，付里叶变换透镜8将经过镜片折射的该光束投射到位于其后焦而上的光电位置探测器9上。由于付里叶变换性质，该投射光束的位置就代表了折射角。光电位置探测器件9是位置灵敏器件，由图象处理器11控制进行采样，并通过模数转换电路10变为数字信号。然后将该光束中心位置的沿x轴和y轴的两个坐标信号存储进图象处理器11的一个存储器中。液晶空间光调制器4的一次全屏扫描过程中，图象处理器11存储下全部折射光束位置的数据。

实际操作运算：

镜片物面上任一坐标点的有关光学中心位置，球面屈光度，柱面屈光度及轴向和棱镜度及底轴的六个光学性质量能够用该物点邻近域中(包含或不包含该点)的三个不在同一直线上的物点的折射角求出。

为保证测量精度，应求出折射光束的中心位置。

为保证测量精度，取四个位于正方形角上排列的物点，如图3所示，来推算出中央物点的光学性质，或取正十字线排列的五个物点来推算出中心点的光学性质。

为保证计算的正确性，方格栅形的扫描空间光束发生器和光电位置探测器按相同方向放置，如图2和图4所示。

为使两维离散点数据向两维连续或等位线数据转换，采用数字图象处理技术。

为形象化地显示两维测量结果，采用单色或彩色编码的等位线表示。

为实地表达被测镜片6的数据分布，采用1∶1比例打印等位线图案。

如图1的系统中，准直透镜2的输出口径为φ50mm，液品空间光调制器4的单元细光束的口径为0.8mm×0.8mm，间隔3.5mm，有效输出口径L_dφ50mm，位置灵敏探测器的有效口径尺寸D_d为100mm×100mm，分辨率1/1000。付里叶变换透镜8的口径为φ60mm，焦距f＝100mm，图象处理器中的中心处理器为486，66兆，32位，内存32兆。

光束的折射角θ_x和θ_y由其在位置灵敏器件上的位置x和y决定，其为： $\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x=\frac{x}{f}$ $\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y=\frac{y}{f}$

图5表示由四个液晶开关单元的折射角决定其中心物点上的光学参数的示意图。假定计算点坐标为(x，y)，测试点坐标为(x＋Δ，y)，(x，y－Δ)，(x－Δ，y)，(x，y＋Δ)，它们的折射角分别为(tgθ_x(1)，tgθ_y(1))，(tgθ_x(2)，tgθ_y(2))，(tgθ_x(3)，tgθ_y(3))和(tgθ_x(4)，tgθ_y(4))，x，y和Δ为毫米单位，则中间变量定义为： $A=\frac{\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x\left(1\right)-\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x\left(3\right)}{2\mathrm{\Δ}}$ $B=\frac{\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y\left(4\right)-\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y\left(2\right)}{2\mathrm{\Δ}}$ $C=\frac{\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y\left(1\right)-\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y\left(3\right)+\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x\left(4\right)-\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x\left(2\right)}{4\mathrm{\Δ}}$ $G=\frac{\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x\left(1\right)+\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_x\left(3\right)}{2}$ $H=\frac{\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y\left(4\right)+\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_y\left(2\right)}{2}$

E＝Ax＋Cy－G

F＝By＋Cx－H该计算点对应的光学性质为，

光学中心位置： $x_0=\frac{\mathrm{BE}-\mathrm{CF}}{\mathrm{AB}-C^2}-----\left(\mathrm{mm}\right)$ $y_0=\frac{\mathrm{AF}-\mathrm{CE}}{\mathrm{AB}-C^2}-----\left(\mathrm{mm}\right)$ 柱镜轴向： $\mathrm{tg}2\mathrm{\θ}=\frac{2C}{A-B}$ 球面屈光度： $D_1=-1000(\frac{A+B}{2}+\frac{C}{\cos 2\mathrm{\θ}})----\left(D\right)$ 柱镜屈光度： $D_2=-1000(\frac{A+B}{2}-\frac{C}{\cos 2\mathrm{\θ}})----\left(D\right)$ 柱镜底轴： $\mathrm{tg\φ}=\frac{G}{H}$ 棱镜度： $\mathrm{\Δ}=\sqrt{G^2+H^2}\×100----\left(\mathrm{\Δ}\right)$

求得全部参考物点上的光学性质后，通过图象处理方法求得其两维等位线分布，并进行显示和打印。

Claims (10)

1.一种镜片大口径自动测量仪，含有光学系统，沿其光路行进方向从输出口径L_d内包含多单元细光束的扫描列阵光束发生器(15)开始，依次是支撑被测镜片(6)的载物架(5)、滤光片(7)，有效口径S_d与扫描列阵光束发生器(15)的输出口径L_d相匹配的付里叶变换透镜(8)、光电位置探测器(9)，电子系统有由光电位置探测器(9)输出的电讯号通过模数转换电路(10)进入图象处理器(11)，图象处理器(11)通过扫描驱动电路(12)接与扫描列阵光束发生器(15)，图处理器(11)还连有显示器(13)和打印机(14)。

2.按照权利要求1的镜片大口径自动测量仪，其特征是扫描列阵光束发生器(15)是由点光源(1)、扩束准直系统(2)、反射镜(3)和电记址空间光调制器(4)所构成；或者是由单光束光源、角度偏转器和准直透镜所构成；或者是二维发光二极管列阵和微透镜列阵所构成；或者是二维激光二极管列阵和微透镜列阵所构成。

3.按照权利要求1或2的镜片大口径自动测量仪，其特征是扫描列阵光束发生器(15)上单元细光束以方格形列阵排列，单元细光束之间的间隔为1mm～5mm，单元细光束占有面积与占空面积之比为1∶4～1∶1，帧率A_f≥3帧/秒。

4.按照权利要求1的镜片大口径自动测量仪，其特征是付里叶变换透镜(8)的有效口径S_d等于或者大于扫描列阵光束发生器(15)的输出口径L_d。

5.按照权利要求1的镜片大口径自动测量仪，其特征是光电位置探测器(9)是位置灵敏器件、光电池列阵、光电二极管列阵、电荷耦合器件或者是电荷注入器件。

6.按照权利要求1或3、5的镜片大口径自动测量仪，其特征是光电位置探测器(9)的探测单元排列格式与占空比均与扫描列阵光束发生器(15)相同，并按其几何排列图案两者是平行置放，或者是成45°角置放。

7.按照权利要求1或4、5的镜片大口径自动测量仪，其特征是付里叶变换透镜(8)的焦距f与光电位置探测器(9)列阵的有效口径D_d之比为f∶D_d≤8∶1。

8.按照权利要求1的镜片大口径自动测量仪，其特征是扫描驱动电路(12)内含有与扫描列阵光束发生器(15)上所包含的单元细光束数量相同，并与单元细光束一一相应的控制单元细光束持续周期的单元电光开关或发光器件。

9.按照权利要求1或5、8的镜片大口径自动测量仪，其特征是光电位置探测器(9)的整个列阵的采样时间等于或小于扫描驱动电路(12)内控制扫描列阵光束发生器(15)上单元细光束的一个单元电光开关或发光器件的开通持续时间。

10.按照权利要求1的镜片大口径自动测量仪，其特征是图象处理器(11)含有一个或更多的内存贮器、有数字化和两维图象显示器。

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