CN115201224A - 一种眼镜光学镜片缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼镜光学镜片物理性缺陷检测装置及方法。包括准直光源、二维光点扫描系统，光路上依次排布的光焦度补偿光学系统和积分球、位于积分球反射面上的光电传感器、与光电传感器连接的数据处理板，积分球上开设有用于光束通过的溢出口。本发明解决了检测带光焦度镜片的气泡、划伤、麻点等缺陷的综合检测技术难题，并依此创立了业内判断标准。本发明设置简单，成本低，灵敏度高，100％的检出率使得操作人员只需要对那些因为表面有可擦除的污物而被当成缺陷误检出来的镜片进行复检。通常这些需要复检的镜片在3％左右。因而本发明大大减轻了劳动者的强度和提高了效率，同时也避免了不必要的浪费。

Description

一种眼镜光学镜片缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种眼镜光学镜片物理性缺陷检测装置及方法，具体地说，是一种眼镜光学镜片缺陷检测装置及方法。

背景技术

现在佩戴眼镜的人员越来越多，有用眼疲劳带来的近视人群，有年龄增大眼睛功能退化的中老年人，这些人群都需要佩服眼镜来校正屈光度，这使得用于校正光学视力或用于保护视力的眼镜片的需求量上升。人的一生，不可能离开眼镜，或近视，或老化。正是因为人人离不开眼镜，所以眼镜的基数非常庞大。

眼镜光学镜片的物理性缺陷可分为表面划痕、麻点和镜片内部气泡三类缺陷。其中表面划伤和麻点统称为表面疵病。镜片生产厂家一般需要对镜片的φ55mm区域内的缺陷进行检测，并根据缺陷的大小和缺陷所在的区域，分出A、B、C三个等级，A级最优。但是由于这些缺陷在微米尺度，用肉眼观察的话，需要在强光下用观察，所以非常伤眼。

使用仪器来检查镜片的物理性缺陷，一直是行业从业人员的梦想。市面上也有了相关的尝试。常见的检查方法有：一是拍照法，也是目前最常用的方法，其原理就是采用高清晰相机，在方向性光或结构光的照射下，对物体表面的缺陷进行直接拍照，再结合图像分析技术，梳理出表面缺陷。这种技术最大的缺陷是拍照需要多角度，而到底采用何种角度才能拍摄到缺陷，会由于镜片的形状和光焦度随机变化而变得不可预知。因而虽然研究的人多，但都没有一个产品投入商业应用。二是干涉测量法，利用干涉条纹图案在缺陷处的明显变化来检查表面疵病。这种方法的特点是精度高，检测没有方向性。但是这种方法只适用于光程差比较小的镜片，如平光，否则会由于光程差巨大而引起条纹密集，无法区分条纹进行干涉测量。眼镜光学镜片因为有屈光度，光程差巨大，所以也不能直接应用干涉测量法到眼镜光学镜片的物理性缺陷检测中来。

发明内容

本发明的目的是解决以上提出的问题，独辟蹊径，利用镜片的物理性缺陷在光的照射下会有散射的现象，独特设计了一种眼镜光学镜片物理性缺陷检测装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种眼镜光学镜片缺陷检测装置，包括准直光源、二维光点扫描系统，光路上依次排布的光焦度补偿光学系统和积分球、位于积分球反射面上的光电传感器、与光电传感器连接的数据处理板，积分球上开设有用于光束通过的溢出口。

作为进一步地改进，本发明所述的准直光源为可见或近红外波段的LED或 SLD或ASE自发辐射光源或激光或其他高亮度准直光源。

作为进一步地改进，本发明所述的二维光点扫描系统是振镜或是转镜或两者的混合偏转扫描系统。

作为进一步地改进，本发明所述的光焦度补偿光学系统是空的或单透镜或多组透镜组成的光学系统。

作为进一步地改进，本发明所述的光焦度补偿光学系统可用于光焦度范围在 -48D到+30D的眼镜光学镜片的光焦度补偿。其可以根据被测镜片的光焦度数据，自动调整光焦度补偿光学系统的结构，使得激光束在通过该光焦度补偿系统和带光焦度的镜片后，能够避免打到积分球的反射面上，而能从积分球中的溢出窗口出射。

作为进一步地改进，本发明所述的积分球的反射面是弧面。是用于收集不同方向散射光的装置，也可以是其他可以收集不同方向散射光的装置。

作为进一步地改进，本发明所述的积分球的的溢出口与直径之比取值在0.01 和0.8之间。

作为进一步地改进，本发明所述的光电传感器是光电管或光电池或CCD或 CMOS或PSD或光电倍增管。数据处理板用于把光电传感器的微弱信号进行放大，转成电压或电流信号供AD采集。

作为进一步地改进，本发明所述的光电传感器优选为可见光波段光电管，所述的检测装置通过对散射光强度的分布图来分析镜片的物理性缺陷和镜片分级。

本发明还公开了一种眼镜光学镜片缺陷检测方法，包括如下步骤：

1)根据被测镜片的光焦度值，调整光焦度补偿系统的结构，使得准直光源发出的光束在通过光焦度补偿系统和被测镜片区域后，都能从积分球的溢出口出射；

2)准直光源发出的光束通过二维光点扫描系统和光焦度补偿系统后，打到镜片的被测区域点(x,y)上，如图6所示；

3)镜片的(x,y)处在光束照射下，产生的不同方向的散射光，在积分球上经过多次反射或直接入射到积分球壁上的光电传感器上；

4)通过数据处理板对光电传感器的信号处理得到在镜片(x,y)处的散射光的强度信号B.

5)通过二维扫描系统的作用，就可以得到镜片上整个被测区域的散射光强度信号B分布图。通过一定判据，就可以根据散射光的强度信号B的强弱和分布来量化镜片的分级，从而达到检查的目的。

本发明的创新点如下：

1、本发明的创新点是解决了检测带光焦度镜片的气泡、划伤、麻点等缺陷的综合检测技术难题，并依此创立了业内判断标准。

2、本发明把对三种不同形态的物理性缺陷的检测，都单一地通过对散射光的检测来实现，建立了一种简单的，统一的量化标准。

3、本发明让自动检测眼镜镜片的物理性缺陷成为可能，可以实现全自动监测镜片的表面和内部缺陷，提高了生产效率。

4、本发明设置简单，成本低，灵敏度高，100％的检出率使得操作人员只需要对那些因为表面有可擦除的污物而被当成缺陷误检出来的镜片进行复检。通常这些需要复检的镜片在3％左右。因而本发明大大减轻了劳动者的强度和提高了效率，同时也避免了不必要的浪费。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图；

图2是2张+12D到+1.5D镜片的检测光路图；

图3是3张+1.25D到-10D镜片的检测光路图；

图4是2张-10D到-12D镜片的检测光路图；

图5是6片直径为58mm，光焦度SPH＝-4D镜片的检查结果图；

图6是镜片光点扫描时坐标图。

1是准直光源；2是二维光点扫描系统；3是光焦度补偿光学系统；4是镜片； 5是积分球；6是溢出口、7是光电传感器、8数据处理板。

具体实施方式

本发明是一种眼镜光学镜片缺陷检测装置，装置包括准直光源1，二维光点扫描系统2，光焦度补偿光学系统3，积分球5、光电传感器7和数据处理板8。

原则上只要是光电接受器能响应的波长的激光都能用于本发明。但是有些镜片4因为有抗紫外的UV400或UV420的膜层，所以可见及近红外LED光源或SLD 光源或ASE自发辐射光源或激光光源为首选，因为半导体激光寿命长，亮度高，准直性比较好，成本低，所以准直光源优选用红光半导体激光器。

二维光点扫描系统，是一种可以对光束在两个方向进行偏转扫描的系统，可以是振镜，也可以是转镜，或这两种的混合偏转扫描系统。准直光源在二维光点扫描系统作用下可以对被测镜片4的被测区域逐点扫描。

光焦度补偿光学系统3，是空的或单透镜或多组透镜组成的光学系统。是一种可以根据被测镜片4的光焦度数据来自动调整自身光学系统结构的系统。光焦度补偿光学系统3可用于光焦度范围在-48D到+30D的眼镜光学镜片4的光焦度补偿。其可以根据被测镜片4的光焦度数据，自动调整光焦度补偿光学系统3的结构，使得激光束在通过该光焦度补偿光学系统3和带光焦度的镜片4后，能够避免打到积分球5的反射面上，而能从积分球5中的溢出口6出射。

引入光焦度补偿光学系统3的目的是使得准直光源发出的光束在透过该光焦度补偿光学系统3和镜片4的被测区域后，能够在积分球5中的溢出口6出射，如图1。光焦度补偿光学系统3可以是一个简单的单透镜，也可以是一个复杂光学系统或者没有透镜系统。作为最优化，光焦度补偿光学系统3可以是一组固定的镜头，通过光路中没有镜头，镜头在位置1和位置2三种状态，如图2、图3和图 4所示来分别对应光焦度为+12D到+1.5D，+1.5D到-10D，-10D到-12D的3类镜片4。这三类镜片4可以覆盖目前市面上98％的镜片。如果要覆盖100％的镜片范围，系统会非常复杂且造价高,没有必要。

光焦度补偿光学系统3的设计，相关于镜片4的被测区域大小，被测镜片4 的屈光度范围大小，积分球5的直径大小，积分球5的溢出窗口口径大小。如果镜片4的被测区域越大，被测镜片4的屈光度范围越大，积分球5溢出口6口径/ 积分球5的直径越小，则光焦度补偿光学系统3的结构越复杂，反之，就越简单，甚至可以没有光焦度补偿光学系统3。

积分球5用于收集光束通过镜片4后，由于镜片4有缺陷引起的各个方向的散射光。积分球5的溢出口6口径D1和积分球5的直径D2之比为0到1之间的值，D1:D2太小，光焦度补偿光学系统3的比较复杂，如果接近于1，则积分球5 的散射光的收集能力大大降低。作为平衡，D1:D2一般在0.01到0.8之间取值比较合理，在D2＝200mm的情况下，优选为0.3。

光电传感器7是一种光转换成电信号的器件，安装在积分球5反射面上用于收集散射光，可以是光电管，光电池，CCD，CMOS，PSD等光电器件。作为优化，选用滨松公司的可见光波段光电管作为光电传感器7。

数据处理板8，用于把光电传感器7的微弱信号进行放大，转成电压或电流信号供AD采集，得到散射光强度信号B。

本发明还公开了一种眼镜光学镜片缺陷检测方法，包括如下步骤：

1)根据被测镜片4的光焦度值，调整光焦度补偿光学系统3的结构，使得准直光源1发出的光束在通过光焦度补偿光学系统3和被测镜片4的被测区域后，能从积分球5的溢出口6出射；

2)准直光源1发出的光束在通过二维光点扫描系统2和光焦度补偿光学系统 3后，打到镜片4的被测区域点(x,y)上；

3)镜片4的(x,y)处在光束的照射下，产生的不同方向的散射光，在积分球5 上经过多次反射或直接入射到积分球5壁上的光电传感器7上；

4)通过数据处理板8对光电传感器7的信号处理得到镜片4(x,y)处的散射光强度信号B；

5)通过二维光点扫描系统2的作用，就可以得到镜片4上整个被测区域的散射光强度信号B分布图。通过一定判据，就可以根据散射光强度信号的强弱和分布来量化镜片4的分级，从而达到检查的目的。

本发明的原理：

光的散射是指光通过颗粒或不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。根据入射光尺寸和散射颗粒的尺寸比较，当散射颗粒尺寸小于或接近于入射波长的散射为瑞利散射，但当颗粒尺寸大于入射辐射波长的10％左右时，瑞利散射模型就会失效。对于尺寸大于此的粒子，可以使用米氏散射模型来计算散射辐射的强度。米氏散射辐射的强度由无限系列项的总和给出，而不是通过简单的数学表达式。米氏散射辐射的特点是：它大致与波长无关，并且在正向方向上比在反向方向上更大。粒径越大，越多的光被向前散射。由于检测的缺陷一般在5λ以上，所以适用米氏散射的原理来检查镜片4。

由于光学镜片4有光焦度，如果没有光焦度补偿系统，或者光焦度补偿系统不能随镜片4的光焦度进行调整，那么入射的光束经过有些镜片4以后，有可能直接照射到积分球5的反射面上，会被当作散射光而引起系统测量误差。所以要确保入射的光束经光焦度补偿系统和被测镜片4后，必须直接从积分球5的溢出口6出射，只让散射光入射到积分球5的反射面上。为了达到这个目的，必须引入光焦度补偿系统。光焦度补偿光学系统3的作用是可以根据被测镜片4的光焦度值，调整自身光学系统的结构变化，来确保入射的光束经过光焦度补偿光学系统3和镜片4以后，光束不会直接照射到积分球5的反射面上，从而确保检测的目的实现。

本发明利用价格便宜准直性比较好的650nm半导体激光，光束直径为0.5mm，通过二维光点扫描系统2和光焦度补偿光学系统3后照射到镜片4上，然后从积分球5出射。积分球5用于收集散射光，收集的散射光由积分球5上的光电器件收集，经由数据处理板8上传到数据采集系统，再由电脑系统分析后得出镜片4 的散射光强度信号B分布图，如图5所示。

下面结合说明书附图对本发明实施例进行进一步详细说明：

实施例一：

本实施例为一种眼镜光学镜片缺陷检测装置，如图1所示。

本实施例是光学镜片4缺陷检测仪，包括准直光源1，光束二维光点扫描系统 2，光焦度补偿光学系统3，积分球5、光电传感器7和数据处理板8。

如图1所示，准直光源1选用650nm的半导体激光光源，为了防止环境光的影响，可以采用调制或在探测器前放窄带滤光片的方法。本发明中，采用了双重的防干扰机制。实践中，选用了20kHz的TTL信号对650nm的半导体激光进行调制。

按照自动化检测的要求，一般要求在2s内检查完成整个镜片4。650nm半导体激光经准直后，通过光澜将光束限制在0.5mm以下。按照φ55mm的检测范围，这样大约在2秒内要扫描完10000点，大约为5kHz。对于如此快速的扫描速度，二维光点扫描系统2选用了二维振镜来实现，扫描频率20kHz。

考虑在-12D到+12D光焦度范围内的镜片4占整个眼镜镜片市场的98％以上。所以如果有一套不复杂的光焦度补偿系统就能实现我们检测上述镜片的目的，则是非常好的解决方案。经过详细的光学设计，找到了一个非常简单的光焦度补偿系统。采用一组有2个相同单凸透镜组成镜头组，如图2、图3和图4所示。透镜组的直径为120mm。透镜的曲率半径为R233,材料为BK7,分三档来覆盖镜片4 的检测范围，L1＝20,L2＝32.

因镜片4表面上附着的灰尘和污物也会被错误地当作缺陷检查到，为了避免检测误差，通常还可在被测镜片4区域附近布置高压离子喷嘴，用于吹淋镜片4表面附着的灰尘和污物，降低误检率。

积分球5采用直径φ200mm的朗伯体，反射率大于98％，光束溢出口6的直径为φ60mm。

光电管选用滨松的S1227-66BR。数据处理板8也选用日本滨松公司的数据处理板，用于把光电传感器7的微弱信号进行放大，转成电压或电流信号供AD采集。

使用方法：

操作人员先用透射式焦度计测量被测镜片4的光焦度，然后把镜片4放到积分球5的上面端口，图1所示。

如果测得的镜片4的光焦度在+12D到+1.5D范围内,则在光路中不需要插入光焦度补偿系统就可以对+12D到的+1.5D的镜片4检测，如图2所示。

如果镜片4的光焦度在+1.25D到-10D范围内,则把透镜组放置在离被测镜片 4距离L1＝20mm的位置；可以对+1.25D到-10D的镜片4检测，如图3所示。

如果镜片4的光焦度在-10D到-12D范围内,则把透镜组放置在离被测镜片4 距离L2＝32mm的位置，可以对-10D到-12D的镜片4检测，如图4所示。

选择和调整好光焦度补偿光学系统3后，准直光源1发出的光束在二维光点扫描系统2的控制下，将光束投射在镜片4的φ55mm的区域内，光束经过光焦度补偿光学系统3和镜片4的(x,y)点折射后，从积分球5的溢出口6出射。同时在光束扫描过程中，光电管的数据处理板8不断记录电流数据I或电压V值，并最终归一化为(0,255)之间的散射光强度信号B，形成一系列的(x,y,B)数据文件，得到散射光强度信号B在整个被测镜片区域的分布图，如图5所示。

图5为光焦度为SPH＝-4D，直径为58mm的镜片的实测结果。光焦度补偿系统离被测镜片4的距离L1＝20mm。从结果看，镜片缺陷的分布和散射光强度信号值B的强弱和分布有确定的相关性。证明本发明结果可靠。如果设定一个合适的判据，就可以自动分类镜片4的A级，B级或C级，自动检测镜片4的物理性缺陷完成。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明核心技术特征的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，包括准直光源(1)、二维光点扫描系统(2)，光路上依次排布的光焦度补偿光学系统(3)和积分球(5)、位于积分球(5)反射面上的光电传感器(7)、与光电传感器(7)连接的数据处理板(8)，所述的积分球(5)上开设有用于光束通过的溢出口(6)。

2.根据权利要求1所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述的准直光源(1)为可见或近红外波段的LED或SLD或ASE自发辐射光源或激光光源或其他高亮度光源。

3.根据权利要求1所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述的二维光点扫描系统(2)是振镜或转镜或两者的混合偏转扫描系统。

4.根据权利要求1所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述的光焦度补偿光学系统(3)是空的或单透镜或多组透镜组成的光学系统。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述的光焦度补偿光学系统(3)为用于根据被测镜片(4)的光焦度数据，自动调整光焦度补偿光学系统(3)的结构，使得激光束在通过该光焦度补偿光学系统(3)和带光焦度的镜片(4)后，能够避免打到积分球(5)的反射面上，而能从积分球(5)中的溢出口(6)出射。

6.根据权利要求5所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述积分球(5)的反射面是弧面。

7.根据权利要求1或6所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述积分球(5)的溢出口(6)与积分球(5)的直径之比取值在0.01和0.8之间。

8.根据权利要求1所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述光电传感器(7)是光电管或光电池或CCD或CMOS或PSD或光电倍增管。

9.根据权利要求8所述的眼镜光学镜片(4)缺陷检测装置，其特征在于，所述的光电传感器(7)优选为可见光波段光电管，所述的检测装置通过对散射光强度的强弱和分布的分析来进行镜片(4)的物理性缺陷的检测和镜片分级。

10.一种的眼镜光学镜片(4)缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据被测镜片(4)的光焦度值，调整光焦度补偿系统的结构，使得光束在通过光焦度补偿系统(3)和被测镜片(4)不同区域后，能从积分球(5)的溢出口(6)出射；

2)光束通过二维光点扫描系统(2)和光焦度补偿光学系统(3)后，打到镜片(4)的被测区域点(x,y)上；

3)镜片(4)的(x,y)处在光束的照射下，产生的不同方向的散射光，在积分球(5)上经过多次反射或直接入射到积分球(5)壁上的光电传感器(7)上；

4)通过数据处理板(8)对光电传感器的信号处理得到在镜片(4)(x,y)处的散射光的强度信号B；

5)通过二维光点扫描系统(2)的作用，得到镜片上整个被测区域的散射光强度信号B分布图；通过一定判据，根据散射光强度信号的强弱和分布来量化镜片的分级，从而达到检查的目的。

Images