專利名稱：鏡片大口徑自動測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焦度儀(屈光度儀)類型的光電子自動化檢測儀器，主要用于眼鏡片或隱形鏡片的大口徑范圍中的光學(xué)中心、球面屈光度、柱面屈光度和軸向以及棱鏡度和底軸等光學(xué)性質(zhì)的測量。尤其適用雙焦、多焦和變焦鏡片光學(xué)中心位置的測量，和變焦鏡片的整體測量。
到目前為止，眼鏡片光學(xué)性質(zhì)的測量主要采用兩類屈光度儀。第一類是光學(xué)頂點屈光度儀，基本原理采取焦距儀的方式，測量時轉(zhuǎn)動讀數(shù)手輪使清晰地觀察十字線的中心，這時該儀器手輪上給出了屈光度值，在儀器主軸線上給鏡片打上印記代表光學(xué)中心位置。這類儀器采用目鏡觀察或投影觀察，采用標(biāo)尺刻度讀數(shù)或電子數(shù)字化讀數(shù)。第二類是全自動屈光度儀，一般采用四束光束掃描鏡片，檢測其偏折可計算出屈光度，測量時在儀器載物架上放置被測鏡片即可顯示出屈光度等光學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，同時也給出鏡片光學(xué)中心偏離儀器主軸方向的指示，移動鏡片使指示表明兩中心符合，這時正確給出光學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，在該類儀器的主軸上給鏡片打上標(biāo)記代表光學(xué)中心位置。這兩類儀器只能對鏡片的一個小區(qū)域測出該區(qū)域中心所代表的鏡片的屈光度等光學(xué)性質(zhì)，有如下缺點1.不能對鏡片的大口徑范圍進行無機械移動的一步性測量。
2.不能實時給出鏡片大口徑范圍的光學(xué)中心位置、球面屈光度、柱面屈光度、棱鏡度、柱鏡軸向和棱鏡底軸的數(shù)值的兩維分布。
3.不能同時測定雙焦、多焦和變焦鏡片的各光學(xué)中心位置。
4.不能區(qū)分變焦鏡片的視近區(qū)、視遠(yuǎn)區(qū)、變焦區(qū)和畸變區(qū)，不能測定變焦區(qū)中屈光度漸變的情況，不能測定畸變區(qū)中的畸變情況。
5.不能區(qū)分多焦鏡片的各個視區(qū)。
6.不能以圖象方式顯示和表征鏡片大口徑范圍內(nèi)的光學(xué)性質(zhì)分布的情況。
還應(yīng)當(dāng)說明多焦鏡片和變焦鏡片還沒有專用的測量儀器。
本發(fā)明的目的為克服上述已有技術(shù)的問題，是用掃描列陣光束發(fā)生器的多單元平行細(xì)光束依次照射被測鏡片，用一個付里葉變換透鏡把鏡片折射的光束變換到光電位置探測器上，用電子計算機的圖象處理器收集并處理這些折射角數(shù)據(jù)，并通過列陣照明器參考坐標(biāo)點上的折射角數(shù)據(jù)可計算出與各點有關(guān)的光學(xué)中心位置、球面屈光度、柱而屈光度及軸向和棱鏡度及底軸的數(shù)值，因此一次掃描整個列陣光束發(fā)生器就能求得整個測量口徑上的全部光學(xué)性質(zhì)的兩維分布數(shù)值，用圖象處理技術(shù)在顯示屏上即可形象地顯示出光學(xué)性質(zhì)的兩維分布，也可數(shù)字化給出測量結(jié)果，打印機輸出的兩維數(shù)據(jù)圖附貼在鏡片上也能實時地給出鏡片的光學(xué)性質(zhì)分布。
本發(fā)明的鏡片大口徑自動測量儀，在光學(xué)系統(tǒng)上沿光路行進方向從掃描列陣光束發(fā)生器15開始，依次是置放被測鏡片6的載物架5、濾光片7、付里葉變換透鏡8、光電位置探測器9，電子系統(tǒng)是由光電位置探測器9輸出電訊號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10進入圖象處理器11，圖象處理器11通過掃描驅(qū)動電路12連到掃描列陣光束發(fā)生器15，圖象處理器還帶有顯示器13和打印機14。
一、光學(xué)系統(tǒng)為保證測量精度，掃描列陣光束發(fā)生器15的多單元細(xì)光束采用方格形列陣排列，其掃描列陣光束發(fā)生器15的輸出口徑Ld為圓形或方形，單元細(xì)光束占有面積與占空面積比以1∶4-1∶1為宜，單元細(xì)光束之間的間隔以1mm-5mm為宜。為保證鏡片的大口徑測量，掃描列陣光束發(fā)生器15的有效輸出口徑Ld為φ30mm—φ60mm為宜，幀率等于或大于3幀/秒為宜。
掃描列陣光束發(fā)生器有多種結(jié)構(gòu)，如由點光源11、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)2、反射鏡3和電記址空間光調(diào)制器4所構(gòu)成的；或者是單光束源，角度偏轉(zhuǎn)器和微透鏡所構(gòu)成；或者是兩維發(fā)光二極管和微透鏡列陣所構(gòu)成；或者是二維激光二極管列陣和微透鏡列陣所構(gòu)成。
光電位置探測器是位置靈敏器件，為保證屈光度測量范圍和測量精度，它的位置定位精度好于1/1000。
光電位置探測器也可以是光電池列陣，光電二極管列陣，光電三極管列陣，電荷耦合器件或電荷注入器件。為保證測量精度，這些器件的探測單元采用與掃描列陣光束發(fā)生器15的單元細(xì)光束排列格形相同的方格形排列，其探測有效口徑Dd也為圓形或方形，探測單元占有面積與占空而積之比也以1∶4--1∶1為宜，單元數(shù)以400×400--5000×5000為宜。
為保證掃描列陣光束發(fā)生器掃描時的光電位置探測器的整幅采樣，整個光電位置探測器的采樣，轉(zhuǎn)換和存儲時間應(yīng)小于掃描列陣光束發(fā)生器一個單元細(xì)光束的單元光電開關(guān)或發(fā)光器件周期時間。光電位置探測器9與掃描列陣光束發(fā)生器15按其幾何排列圖案是平行置放如圖4所示或者兩者成45°角置放。
在上述掃描列陣光束發(fā)生器15的第一種結(jié)構(gòu)情況下，掃描列陣光束發(fā)生器的輸出口徑應(yīng)等于或大于電記址空間光調(diào)制器4的有效口徑。擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)可以是準(zhǔn)直透鏡也可以是擴束透鏡，空間濾波小孔和準(zhǔn)直透鏡的組合。
為與掃描列陣光束發(fā)生器15的口徑匹配，付里葉變換透鏡8的有效口徑Sd應(yīng)當(dāng)大于其有效輸出口徑Ld。為保證像質(zhì)，付里葉變換透鏡8的相對孔徑取1∶1.5--1∶3為宜。為保證最大屈光度值的測量，付里葉變換透鏡的焦距f與光電位置探測器列陣的有效口徑Dd之比應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蛐∮?∶1，即f∶Dd＝8∶1。
為減少環(huán)境雜散光產(chǎn)生的噪聲和產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波長，在載物架5前后加入濾光片7或干涉濾光片。
載物架5能支撐被測眼鏡片6或隱形鏡片，并附有可伸縮的固定裝置用于固定被測鏡片6。
為記錄被測鏡片6在儀器上的位置，儀器有可伸縮的打印標(biāo)志的裝置。
為方便地調(diào)整被測鏡片6的放置位置，儀器在載物架5附近有可移動的擋板。
為縮小儀器的外形尺寸，光學(xué)系統(tǒng)的主軸上有一個或更多的反射鏡3。
二、電子系統(tǒng)為保證掃描，采樣和計算的同步，圖象處理器11作為主控計算機控制掃描列陣光束發(fā)生器15的驅(qū)動，以及控制光電位置探測器9的采樣和本身的計算執(zhí)行程序。所以，圖象處理器11通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10與光電位置探測器9相連，圖象處理器11通過掃描驅(qū)動電路12與掃描列陣光束發(fā)生器15相連。
為存儲采樣數(shù)據(jù)，計算結(jié)果和計算中間結(jié)果，圖象處理器有一個或更多的內(nèi)存儲器，有數(shù)字化和兩維圖象顯示器。
為保證采樣和處理的同步，采樣和處理交替進行。為保證處理速度達(dá)到實時性，存儲器是圖象處理器的內(nèi)存。
為控制掃描列陣光束發(fā)生器15上所輸出的每個單元細(xì)光束的形狀持續(xù)時間，掃描驅(qū)動電路12內(nèi)含有與其單元細(xì)光束數(shù)量相等的并與其單元細(xì)光束一一相對應(yīng)的控制單元細(xì)光束持續(xù)周期的單元光電開關(guān)或發(fā)光器件。
本發(fā)明具有如下明顯的優(yōu)點1.能對鏡片的大口徑范圍進行無機械移動的一步性測量。
2.能實時地給出鏡片大口徑范圍上光學(xué)中心位置，球面屈光度，柱面屈光度，棱鏡度，柱鏡軸向和棱鏡底軸的數(shù)值的兩維分布。
3.能同時測定雙焦，多焦和變焦鏡片的各光學(xué)中心位置。
4.能區(qū)分變焦鏡片的各個視區(qū)，能測定變焦區(qū)中屈光度漸變的情況，能測定畸變區(qū)中的畸變情況。
5.能區(qū)分多焦鏡片的各個視區(qū)。
6.能以圖象方式顯示和表征鏡片大口徑范圍內(nèi)的光學(xué)性質(zhì)分布的情況。
7.測量自動化，操作簡單。
8.測量范圍大，精度高。
9.棱鏡度測量時不需附加補償用的標(biāo)準(zhǔn)棱鏡。
10.以1∶1比例的打印圖象直接表征多焦和變焦鏡片的特征。
11.保留了普通自動屈光度儀只測量儀器主軸方向一小區(qū)域上光學(xué)性質(zhì)的功能。


圖1是本發(fā)明鏡片大口徑自動測量儀一種實施例的系統(tǒng)示意圖。
圖2是電記址空間光調(diào)制器4的單元排列格式示意圖。
圖3是物面上計算點排列示意圖。
圖4是光電位置探測器9的取向示意圖。
圖5是計算點位置示意圖。
下而結(jié)合附圖進一步詳細(xì)說明本發(fā)明實施例如圖1是本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)示意圖。照明點光源1是鹵素?zé)?。擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)2采用一準(zhǔn)直透鏡2產(chǎn)生擴大的平行照明光。反射鏡3是為縮小儀器的外形尺寸而設(shè)置的。電記址空間光調(diào)制器4是液晶器件，排列格式為方格形，如圖2所示。受圖象處理器11控制而逐次開通其包含的單元電光開關(guān)。一個開關(guān)通時產(chǎn)生一單元細(xì)光束照射放于載物架5上的被測鏡片6，濾光片7濾去環(huán)境雜散光，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)測試波長，付里葉變換透鏡8將經(jīng)過鏡片折射的該光束投射到位于其后焦而上的光電位置探測器9上。由于付里葉變換性質(zhì)，該投射光束的位置就代表了折射角。光電位置探測器件9是位置靈敏器件，由圖象處理器11控制進行采樣，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10變?yōu)閿?shù)字信號。然后將該光束中心位置的沿x軸和y軸的兩個坐標(biāo)信號存儲進圖象處理器11的一個存儲器中。液晶空間光調(diào)制器4的一次全屏掃描過程中，圖象處理器11存儲下全部折射光束位置的數(shù)據(jù)。
實際操作運算
鏡片物面上任一坐標(biāo)點的有關(guān)光學(xué)中心位置，球面屈光度，柱面屈光度及軸向和棱鏡度及底軸的六個光學(xué)性質(zhì)量能夠用該物點鄰近域中(包含或不包含該點)的三個不在同一直線上的物點的折射角求出。
為保證測量精度，應(yīng)求出折射光束的中心位置。
為保證測量精度，取四個位于正方形角上排列的物點，如圖3所示，來推算出中央物點的光學(xué)性質(zhì)，或取正十字線排列的五個物點來推算出中心點的光學(xué)性質(zhì)。
為保證計算的正確性，方格柵形的掃描空間光束發(fā)生器和光電位置探測器按相同方向放置，如圖2和圖4所示。
為使兩維離散點數(shù)據(jù)向兩維連續(xù)或等位線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用數(shù)字圖象處理技術(shù)。
為形象化地顯示兩維測量結(jié)果，采用單色或彩色編碼的等位線表示。
為實地表達(dá)被測鏡片6的數(shù)據(jù)分布，采用1∶1比例打印等位線圖案。
如圖1的系統(tǒng)中，準(zhǔn)直透鏡2的輸出口徑為φ50mm，液品空間光調(diào)制器4的單元細(xì)光束的口徑為0.8mm×0.8mm，間隔3.5mm，有效輸出口徑Ldφ50mm，位置靈敏探測器的有效口徑尺寸Dd為100mm×100mm，分辨率1/1000。付里葉變換透鏡8的口徑為φ60mm，焦距f＝100mm，圖象處理器中的中心處理器為486，66兆，32位，內(nèi)存32兆。
光束的折射角θx和θy由其在位置靈敏器件上的位置x和y決定，其為tgθx=xf]]>tgθy=yf]]>圖5表示由四個液晶開關(guān)單元的折射角決定其中心物點上的光學(xué)參數(shù)的示意圖。假定計算點坐標(biāo)為(x，y)，測試點坐標(biāo)為(x＋Δ，y)，(x，y－Δ)，(x－Δ，y)，(x，y＋Δ)，它們的折射角分別為(tgθx(1)，tgθy(1))，(tgθx(2)，tgθy(2))，(tgθx(3)，tgθy(3))和(tgθx(4)，tgθy(4))，x，y和Δ為毫米單位，則中間變量定義為A=tgθx(1)-tgθx(3)2Δ]]>B=tgθy(4)-tgθy(2)2Δ]]>C=tgθy(1)-tgθy(3)+tgθx(4)-tgθx(2)4Δ]]>G=tgθx(1)+tgθx(3)2]]>H=tgθy(4)+tgθy(2)2]]>E＝Ax＋Cy－GF＝By＋Cx－H該計算點對應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)為，光學(xué)中心位置x0=BE-CFAB-C2-----(mm)]]>y0=AF-CEAB-C2-----(mm)]]>柱鏡軸向tg2θ=2CA-B]]>球面屈光度D1=-1000(A+B2+Ccos2θ)----(D)]]>柱鏡屈光度D2=-1000(A+B2-Ccos2θ)----(D)]]>柱鏡底軸tgφ=GH]]>棱鏡度Δ=G2+H2×100----(Δ)]]>求得全部參考物點上的光學(xué)性質(zhì)后，通過圖象處理方法求得其兩維等位線分布，并進行顯示和打印。
權(quán)利要求
1.一種鏡片大口徑自動測量儀，含有光學(xué)系統(tǒng)，沿其光路行進方向從輸出口徑Ld內(nèi)包含多單元細(xì)光束的掃描列陣光束發(fā)生器(15)開始，依次是支撐被測鏡片(6)的載物架(5)、濾光片(7)，有效口徑Sd與掃描列陣光束發(fā)生器(15)的輸出口徑Ld相匹配的付里葉變換透鏡(8)、光電位置探測器(9)，電子系統(tǒng)有由光電位置探測器(9)輸出的電訊號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(10)進入圖象處理器(11)，圖象處理器(11)通過掃描驅(qū)動電路(12)接與掃描列陣光束發(fā)生器(15)，圖處理器(11)還連有顯示器(13)和打印機(14)。
2.按照權(quán)利要求1的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是掃描列陣光束發(fā)生器(15)是由點光源(1)、擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)、反射鏡(3)和電記址空間光調(diào)制器(4)所構(gòu)成；或者是由單光束光源、角度偏轉(zhuǎn)器和準(zhǔn)直透鏡所構(gòu)成；或者是二維發(fā)光二極管列陣和微透鏡列陣所構(gòu)成；或者是二維激光二極管列陣和微透鏡列陣所構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1或2的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是掃描列陣光束發(fā)生器(15)上單元細(xì)光束以方格形列陣排列，單元細(xì)光束之間的間隔為1mm～5mm，單元細(xì)光束占有面積與占空面積之比為1∶4～1∶1，幀率Af≥3幀/秒。
4.按照權(quán)利要求1的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是付里葉變換透鏡(8)的有效口徑Sd等于或者大于掃描列陣光束發(fā)生器(15)的輸出口徑Ld。
5.按照權(quán)利要求1的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是光電位置探測器(9)是位置靈敏器件、光電池列陣、光電二極管列陣、電荷耦合器件或者是電荷注入器件。
6.按照權(quán)利要求1或3、5的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是光電位置探測器(9)的探測單元排列格式與占空比均與掃描列陣光束發(fā)生器(15)相同，并按其幾何排列圖案兩者是平行置放，或者是成45°角置放。
7.按照權(quán)利要求1或4、5的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是付里葉變換透鏡(8)的焦距f與光電位置探測器(9)列陣的有效口徑Dd之比為f∶Dd≤8∶1。
8.按照權(quán)利要求1的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是掃描驅(qū)動電路(12)內(nèi)含有與掃描列陣光束發(fā)生器(15)上所包含的單元細(xì)光束數(shù)量相同，并與單元細(xì)光束一一相應(yīng)的控制單元細(xì)光束持續(xù)周期的單元電光開關(guān)或發(fā)光器件。
9.按照權(quán)利要求1或5、8的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是光電位置探測器(9)的整個列陣的采樣時間等于或小于掃描驅(qū)動電路(12)內(nèi)控制掃描列陣光束發(fā)生器(15)上單元細(xì)光束的一個單元電光開關(guān)或發(fā)光器件的開通持續(xù)時間。
10.按照權(quán)利要求1的鏡片大口徑自動測量儀，其特征是圖象處理器(11)含有一個或更多的內(nèi)存貯器、有數(shù)字化和兩維圖象顯示器。
全文摘要
一種鏡片大口徑自動測量儀，用于鏡片或隱形鏡片大口徑范圍中光學(xué)中心、球面屈光度、柱面屈光度和軸向以及棱鏡度和底軸等光學(xué)性質(zhì)的測量。它用掃描列陣光束發(fā)生器產(chǎn)生多單元細(xì)光束掃描被測鏡片，用付里葉變換透鏡產(chǎn)生折射光束的偏振角，用光電位置探測器轉(zhuǎn)換偏振角信號為電信號，輸進圖像處理器內(nèi)運算，最后顯示和打印出兩維分布。本發(fā)明的優(yōu)點是大口徑無機械移動一步實時測量、操作自動化、結(jié)構(gòu)簡單、能直接形象精確地取得大口徑范圍內(nèi)的全部光學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)。
文檔編號G01M11/02GK1122910SQ9511157
公開日1996年5月22日 申請日期1995年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月29日
發(fā)明者吳宗焱, 劉立人, J·L·德·布格內(nèi) 申請人:劉立人, 吳宗焱, J·L·德·布格內(nèi)