基于哈特曼板檢測(cè)眼鏡屈光度的改進(jìn)方法

張學(xué)典，王昱霄,常 敏

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于哈特曼板檢測(cè)眼鏡屈光度的改進(jìn)方法

張學(xué)典，王昱霄,常 敏

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)傳統(tǒng)的哈特曼測(cè)量存在的技術(shù)問(wèn)題,提出了改進(jìn)型的哈特曼檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)的總體方案，通過(guò)采集CCD圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)處理，從而得到不同裝置下鏡片的屈光度分布圖。通過(guò)與傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)方法的比較，測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)型的哈特曼檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單、方便可行。

哈特曼法；屈光度；漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片；CCD

眼鏡是矯正眼球屈光不正，保護(hù)眼睛健康和提高視覺(jué)功能的一種特殊的醫(yī)療儀器。隨著漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片及自由曲面鏡片加工技術(shù)的快速發(fā)展，如何檢測(cè)其屈光度就顯得尤為重要[1-4]。目前，關(guān)于漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的檢測(cè)技術(shù)較多，主要有：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量法[5-6]、莫爾偏折法[7-8]、朗奇光柵法[9-10]和哈特曼法[11]。單點(diǎn)測(cè)量法能精確給出各點(diǎn)信息,但它只能實(shí)時(shí)測(cè)出鏡片的一個(gè)小區(qū)域中心的屈光度分布信息，不能給出整個(gè)面的屈光度分布信息，對(duì)于檢測(cè)漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片具有局限性。莫爾偏折法和朗奇光柵法都實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)表面的測(cè)量，但圖像處理程序復(fù)雜，局限了測(cè)量的準(zhǔn)確性。而傳統(tǒng)的哈特曼測(cè)量方法雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)表面的測(cè)量，但測(cè)量中對(duì)光闌要求較高，且準(zhǔn)直透鏡的口徑必須與被測(cè)鏡片的口徑相當(dāng)，這使得光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜，光學(xué)系統(tǒng)及其儀器的尺寸龐大且重量大。

針對(duì)上述的問(wèn)題，文中提出了一種改進(jìn)型的哈特曼檢測(cè)鏡片方法，在傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)原理基礎(chǔ)上，對(duì)其檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的圖像與傳統(tǒng)測(cè)量的圖像進(jìn)行對(duì)比分析研究，從而得出改進(jìn)后的哈特曼檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)量原理

1.1 傳統(tǒng)哈特曼法測(cè)量原理

本文所選用的未改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)哈特曼板的測(cè)量原理，圖1為哈特曼法測(cè)量鏡片的裝置圖。激光光源通過(guò)空間濾波器進(jìn)入準(zhǔn)直鏡，光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡后形成平行光，通過(guò)一個(gè)矩形陣列的哈特曼板后，由于被測(cè)鏡片屈光度的不同，光線會(huì)發(fā)生不同程度的偏折，在接收屏上形成相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣圖。通過(guò)運(yùn)用幾何關(guān)系可計(jì)算出鏡片上的相應(yīng)的屈光度。光源和CCD的選取對(duì)后期處理非常重要[12]。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)法是采用光闌對(duì)光學(xué)元件整個(gè)口徑進(jìn)行取樣，通過(guò)相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算與數(shù)字圖像處理，獲取光學(xué)元件全口徑范圍內(nèi)的光學(xué)特性。

(1)光源的選取。合適的光源選擇降低后續(xù)圖像處理算法的復(fù)雜性?？紤]CCD的光敏特性、哈特曼法檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及各光源的特性,選用波長(zhǎng)λ=589 nm，光出口光斑直徑d≈6 mm，輸出功率為80 mW的半導(dǎo)體激光器作為實(shí)驗(yàn)中的光源；

(2)CCD的選取。根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)量要求來(lái)選擇CCD器件。文中選用德國(guó)JAI公司的Elite系列EL-2800的高性能面陣相機(jī)，該系列相機(jī)具有2/3″逐行掃描CCD，最大的分辨率是50 fps，4.54 μm像元尺寸，4：3縱橫比輸出，且靈敏度高、噪聲低、速度高、接口系列豐富、板上處理功能豐富，適用于工業(yè)檢測(cè)，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 屈光度的計(jì)算

透鏡的屈光力為該透鏡焦距的倒數(shù)，其單位為屈光度(D)，1 D通常等價(jià)為100°。鏡片單面各點(diǎn)的屈光度計(jì)算公式如下[13]

(1)

其中，n為鏡片折射率；R為鏡面各點(diǎn)的曲率半徑，單位mm。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)，CCD相機(jī)，計(jì)算機(jī)組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是基于傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)屈光度的方法，在其測(cè)量原理上加以改進(jìn)，具體改進(jìn)方法如下：采用一個(gè)很小的平行平板圓盤，代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中的空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡和光闌，首先將該圓盤傾斜放置，與光軸成45°的夾角，并且使平行平板圓盤繞光軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)產(chǎn)生一束 2 mm 口徑的激光束，該激光束在通過(guò)被測(cè)鏡片時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏折，在接收屏上獲取分散不一的屈光度信息。這是一種非接觸式光學(xué)掃描方法，測(cè)量光路如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的哈特曼檢測(cè)法

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

被測(cè)鏡片被固定在傳動(dòng)裝置上，由步進(jìn)電機(jī)帶其移動(dòng)，主要做以下兩種的機(jī)械運(yùn)動(dòng)：(1)繞鏡片光軸旋轉(zhuǎn)；(2)以 28 mm 為半徑的模仿眼球的圓周運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合帶動(dòng)被測(cè)鏡片的移動(dòng)，使激光束實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)鏡片的掃描式測(cè)量。圖4給出了被測(cè)鏡片相對(duì)于掃描激光束的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式。

圖4 被測(cè)鏡片相對(duì)于掃描激光束的機(jī)械運(yùn)動(dòng)

當(dāng)被測(cè)鏡片在某一位置時(shí)，激光束通過(guò)被測(cè)鏡片時(shí)產(chǎn)生一定的偏折，從而在接收屏上獲取屈光度信息。在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，被測(cè)鏡片每移動(dòng)10 mm，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的屈光度信息。如此往復(fù)，從而在接收屏上產(chǎn)生完整的被測(cè)鏡片屈光度信息。

(1)傳動(dòng)裝置的選取。選用日本SUS公司的XA-35L-50型號(hào)的傳動(dòng)裝置，該裝置可帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)，從而帶動(dòng)被測(cè)鏡片的精準(zhǔn)定位，以掃描整個(gè)鏡片，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位精度高、應(yīng)用范圍廣，符合實(shí)驗(yàn)要求，如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)裝置示意圖

(2)電機(jī)的選取。選用的步進(jìn)電機(jī)是日本東方公司PK系列的電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)為高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)型步進(jìn)電機(jī)，具有高效、標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，符合本次實(shí)驗(yàn)要求，如圖6所示。

圖6 電機(jī)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

文中所設(shè)計(jì)的方法來(lái)檢測(cè)球光度為-3.2 D，加光度為1.25 D的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片[14]。該鏡片的參數(shù)為：前表面曲率半徑r1=130.067 mm，后表面為漸進(jìn)面，中心厚度t=1.75 mm，折射率n=1.47。采用哈特曼檢測(cè)的兩種方法來(lái)測(cè)量其表面屈光度。采樣圖如圖7和圖8所示。

圖7 哈特曼檢測(cè)方法

圖8 改進(jìn)的哈特曼檢測(cè)方法

分別對(duì)采集到的圖7和圖8進(jìn)行圖像處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過(guò)計(jì)算分別得到各自不同測(cè)量裝置下的同一鏡片屈光度信息。圖7是傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)方法的鏡片采樣圖，根據(jù)式(1)可得出各點(diǎn)的屈光度信息。圖8是改進(jìn)型哈特曼檢測(cè)方法的鏡片采樣圖，其測(cè)量精度主要取決于CCD的性能及圖像和數(shù)據(jù)處理的手段。根據(jù)公式[15]可以得到被測(cè)鏡片的球光分布圖和散光分布圖。傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)方法采用整體采樣法，實(shí)驗(yàn)中的光闌是矩形陣列，這就導(dǎo)致獲取采樣范圍受限，而改進(jìn)型的哈特曼檢測(cè)方法采用掃描測(cè)量法，主要是逐個(gè)測(cè)量被測(cè)鏡片的各點(diǎn)，獲取范圍大，更全面獲取鏡片的整體信息。通過(guò)比較，可以得出改進(jìn)后的測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，方便可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的哈特曼檢測(cè)基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)

型的哈特曼檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)的整體方案，通過(guò)與未改進(jìn)前的哈特曼法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其不僅克服了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，而且檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單、方便可行。但由于采用掃描法,測(cè)量時(shí)間將較長(zhǎng),同時(shí)測(cè)量時(shí)需要將被測(cè)鏡片和測(cè)量?jī)x器固定，使得測(cè)量系統(tǒng)的移動(dòng)性和測(cè)量可靠性降低，該方法圖像采集和數(shù)據(jù)處理難度較大，這些問(wèn)題將在后續(xù)研究中進(jìn)行。

[1] 陳浩,呂帆.漸變多焦點(diǎn)鏡片[M].上海:上?？萍冀逃霭嫔?2001.

[2] 李笑,孫慧,李湘寧.漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的評(píng)價(jià)[J].光學(xué)儀器,2012,34(2):26-30.

[3] 賀莉清.漸進(jìn)焦式眼鏡綜述[J].光學(xué)儀器,1997,19(2):9-13.

[4] 張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[5] 鄭茹.一種用于漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的檢測(cè)裝置[J].光學(xué)技術(shù),2015,41(4):377-379.

[6] 楊并上,廖海洋.眼鏡度數(shù)全自動(dòng)測(cè)量方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(10):65-67.

[7] 王勤,余景池,陳浩,等.莫爾偏折技術(shù)用于測(cè)量鏡片屈光度的研究[J].光電工程,2008,35(5):74-79.

[8] 肖小果,敖明武,楊若夫.檢測(cè)鏡片屈光度的莫爾偏折法研究[J].光學(xué)工程,2012(6):98-102.

[9] 王媛媛,蔡建奇,呂帆.朗奇光柵法檢測(cè)自由曲面鏡片光焦度[J].光電工程,2011,38(9):112-114.

[10] 王剛,周晨波,王同樂(lè).郎奇法檢測(cè)大口徑光學(xué)非球面鏡[J].光學(xué)與光電技術(shù),2010,8(2):47-49.

[11] 秦琳玲,余景池.哈特曼法檢測(cè)漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片[J].光學(xué)與光電技術(shù),2008,6(5):84-87.

[12] 周軍,常敏.多焦點(diǎn)鏡片屈光度的檢測(cè)技術(shù)研究[J].激光雜志,2012,33(1):20-21.

[13] 倪穎,余景池.漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的測(cè)量[J].光學(xué)儀器,2003,25(1):20-24.

[14] 秦琳玲,余景池.內(nèi)漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的加工[J].光學(xué)技術(shù),2008,34(1):136-140.

[15] 劉丹,閆巖,任冰強(qiáng),等.掃描型哈特曼檢測(cè)裝置研究[J].強(qiáng)激光與粒子,2005,17(9):1378-1381.

Based on Hartmann Plate Detection Glasses Diopter Improvement Methods

ZHANG Xuedian ,WANG Yuxiao，CHANG Min

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Aiming at the technical problems existing in the traditional Hartmann measurement, it proposed a modified Hartmann detection method. Design the general scheme of experiment, Through collect image by CCD, after subsequent treatment can give lens power distribution map. By comparing with the traditional dattection method of Hartman,the results show that the improved test method has simple principle, convenient and feasible advantage.

hartmann method; diopter; progressive multifocal lenses; CCD

2016- 08- 15

國(guó)家重大儀器專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2014YQ09070903，2013YQ03065104)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015AA020401)

張學(xué)典(1974-)，男，教授，博士。研究方向：光電檢測(cè)技術(shù)與儀器。王昱霄(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：光電檢測(cè)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.020

TN247

A

1007-7820(2017)03-073-03