眼镜度数全自动测量方法

2006年10月 第29卷第lO期 重庆大学学报(自然科学版) JoumalofChongqingUniVersity(NQtumlScienceEdition) 0ct．2006 V01．29No．10 文章编号：1000—582X(2006)10一0065一04 眼镜度数全自动测量方法’ 杨并上，廖海洋 (重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400030) 摘要：提出一种眼镜度数测量方法，利用位置探测器和3条光线实现对棱镜度、球镜度和散光度 等镜片参数的测量．利用该方法能制造出结构简单、自动测量的焦度计．对棱镜度和球镜度测量的误差 做了分析，得知提高位置探测器的测量精度是实现该方法的关键． 关键词：眼镜；眼镜度数；位置探测器；焦度计 中图分类号：TH741 文献标识码：A 随着经济增长和生活品质的提高，与视光学相关 的产业蓬勃发展，展现了巨大的市场前景．2004年，中 国的眼镜工业总产值超过160亿人民币，已成为世界 领先的眼镜生产大国．中国同时也是全世界最具潜力 的眼镜消费市场．与此形成巨大反差的是，国内视光学 仪器发展水平的落后，其中，眼镜焦度计(俗称查片 仪)被国外厂商特别是日本占据了绝大部分市场份 额．因此，研究眼镜度数测量方法，研制具有自主知识 产权的全自动焦度计成为迫切的要求．笔者提出一种 基于位置探测器的3光线眼镜度数测量方法，利用此 方法可以设计出结构简单的全自动焦度计． 1测量原理 如图l所示，实现该测量方法需要一个二维位置 探测器和3条入射光线． 要求3条入射光线垂直于位置探测器的感光平 面，同时应该是被测镜片的近轴光线．被测镜片未放人 光路时，入射光线l、2、3在感光面上形成的光斑的位 置分别为A、B、C．放入被测镜片之后，光线发生偏折， 光斑位置分别移动到A7、曰7、C’三点．根据光斑移动情 况和镜片度数的关系可以出被测镜片的度数．只 要满足一定的精度要求，PSD或者ccD都可以作为所 需的二维位置探测器件． 1．1棱镜度测量 被测镜片上的任何一点均有固定的棱镜度．棱镜 度有方向p与大小P．棱镜度的方向如图2所示． 棱镜度的大小参照图3，按P=100×d÷Z规定． 被测镜片 二维位置探测器 图1测量原理图 图2棱镜度的方向 图3棱镜度的大小 如果有棱镜使光线在1m外发生Pcm偏移，则其棱镜 度大小为P，单位△． 设光线1的光斑在放入被测镜片前后位置分别为 A：(菇，)，)、A7：(石’，)，’)，镜片后顶点距离位置探测器感 光平面长度为z，则光线人射点处的棱镜度大小为P= ·收稿日期：2006一04—24 作者简介：杨并上(1980一)，男，福建厦门人，重庆大学硕士研究生，主要从事智能光电仪器等方面的研究 万方数据 重庆大学学报(自然科学版) 2006年 100×~／(戈’一戈)2+()，’一)，)2÷2，方向为似’={戈’一髫， ，，7一y}，可换算成角度． 1．2球镜度测量 被测镜片的近轴后顶焦距的倒数即为球镜度．由 图4可知，镜片各点的棱镜度P与球镜度F之间的关 系如式(1)所示： F=争器=志=矗．(1)1 尸 100^尸loo^^ Z。 、17 在测量中，移动被测镜片使光线l穿过光心(该 光线的光斑位置不变)，光线2从离光线1距离危处穿 过被测镜片，则式(1)中的d为光线2的光斑位置变 化胎7，Z在上文中已有描述． 1 图4球镜度示意图 1．3柱镜度的测量 柱镜度由球镜与柱面镜联合表示，即ADs／BDc ×妒· 图5所示点D为散光镜片的光心，9为散光镜片 的轴向．(m，n)坐标即光线入射点与光心的相对位 置． 厂 A。：f o ／r ．| ≮ (m，n)／／，／／ 图5散光镜片 沿菇，y方向的屈光力为⋯： t。A似8in，1， (2) t=A+Bcos。咖J 由式(1)可以得到(m，n)点处的棱镜度的菇，)，方 rP。=100×(A+Bsin2小)m 向分量对应为{P：：loo×：A+曰c。。z：j)凡，先消去咖lP。=lOO×(A+曰c08。击)凡 得： P，n=P，m=100x(2m，讲+mnB)．(3) 在测量中，移动被测镜片使得光线l经过光心，光 线2与光线1的相对位置(m，凡)位置探测器测得，P； 与P，的计算方法如上文所述．可见式(3)含有两个未 知数A，曰．利用光线3和光线1可以提供另外一个类 似的式子．联立两式可得 fPnnl+Pyl，n】=100×(2mlnlA+，n1凡1日) LP置2凡2+P记，n2=loo×(2，n2凡2A+，n2n2B) 以后来表示系数，即 f七1l=晟12A+K13B 【后2l=忌22A+后23B解得A=精肛后1l后22一后2l后12后13后22一蠡23后12将A、曰代 回式(2)可以求出散光轴向西． 2可行性分析 国家标准对棱镜度允差和球镜度允差都做了明确 规定[2】．根据现实条件，下面的分析中具体变量取值 为：Z=120mm，^=2．5mm，几=1．5，n是被测镜片的折 射率． 2．1棱镜度误差 如果入射光线没有垂直光敏平面入射，将会带来 一定的误差．从自身角度看，棱镜度大小由棱镜顶角、 折射率和人射光的入射角决定．当光线以倾角^y入射 时(相对图3)，棱镜度P=100tan{(詈+亭)一sin_1 {nsin[sin一·鱼辽掣一口]一口}，上式中，f为y在 棱镜主截面上的投影，口为棱镜顶角．认为光线倾斜角 y<1．5。，因为tanl．5。=O．026，意味着在120mm外光 斑将会有3．1mm的偏移．另外有顶角a<7。．因为在 离光心2．5mm处有7。棱镜顶角意味着该镜片的球镜 度将超过25D．可以得到光线斜射时棱镜度最大误差 与顶角的关系如图6所示．该误差属于系统误差． 另外有测量带来的随机误差．根据随机误差合成 方法，棱镜度误差分解为： ，_、 司 、_， 渊 懋 斗< 堪 瑙 嚣 辎 图6 因光线倾斜入射带来的误差 万方数据 第29卷第10期 杨并上，等：眼镜度数全自动测量方法 67 △一．／(半△。)：+(学△，)z， V ● ‘ 上式中△d为位置探测器测量的位置误差(两点 相对位置)．则是由被测镜片基弧不同导致镜片后顶 点位置变化所造成的，一般在±0．6mm(最大误差)之 间．综合光线斜射带来的误差，如果棱镜度测量允差为 ±0．1△嵋1，则位置探测器测量的位置误差应小于 0．108mm． 2．2球镜度测量误差 根据式(1)，可以将球镜度误差分解为 d． Z． △，2元巧△^+面△d， 第1项中△。表示光线在被测镜片内部的偏移，属于系 统误差．第2项中△。=△。+△。，△。是位置探测器测量 两点距离的误差．经过分析可以得到△^=胁E／乃，最 后得到 1 ●F 1 △，=(÷一F)等±扣。， (5) 即球镜度的误差表达式，式中￡表示透镜的中心厚度， F。是镜片前表面的屈光度．其中前一项是系统误差， 当透镜为度数较大的正镜片时，镜片中心厚度￡很大， 需要对测得的球镜度重新校正，以消除系统误差．在消 除系统误差之后，如果要求的球镜度允差为 ±o．06D∞J，则要求位置探测器测得的两点距离的位 置误差小于O．018mm． 2．3位置探测器的分辨率与大小要求 对于自动数字显示式焦度计，通常要求能以 O．OlD的分辨率显示球镜度结果．根据式(1)，可得， 即要求位置探测器必须有优于O．003mm的分辨率． 根据上述假定，￡=120mm，^=2．5mm，n=1．5． 如果要求量程是(一25D，+25D)，则位置探测器的感 光面积至少是15mm×15mm．此时对应的棱镜度量程 为(一6．25△，+6．25△)． 通过上述分析可知：位置探测器的精度是实现这 种测量方法的关键．一般而言，若采用PSD作为位置 探测器，必须校正位置误差才能保证测量精度[3]，同 时要尽量减小噪声以提高测量分辨率．如果使用 CCD，则可以通过增大光线的直径或者改进图像处理 的边缘检测算法来提高CCD的有效分辨率H’5】．只要 满足要求，PsD器件和ccD器件都能达到测量目的． 3实验结果 在实验室利用激光发光二极管和PsD搭建试验 平台，采用5种国家标准镜片进行镜片顶焦度实测，结 果如表l所示． 表1实际测量结果 4结束语 利用基于位置探测器的3光线眼镜度数测量方 法，可以检测出被测镜片的棱镜度、球镜度、散光度等 光学指标．根据此方法可采用激光器、CCD器件或 PsD器件、微型处理器、液晶显示屏等构成全自动的测 量系统，具有很高的现实意义．只要位置探测器的精度 与分辨率足够高，球镜度测量的精度就可以达到 ±O．01D．随着二维位置检测技术的进一步成熟，基于 该方法设计的全自动焦度计将体现出很大的优势，完 全可以代替国内现有的手动式焦度计和投影式焦度 计，完成焦度计市场的更新换代． 参考文献： [1]瞿佳主编．眼镜学[M]．北京：人民卫生出版社，20D4．88～舛． [2]国家质量技术监督局．GBl7341—1998光学与光学仪器 焦度计[s]． [3]周正华，蒋文军，朱维乐．PSD及其集成装置标定实验研 究[J]．电子测量与仪器学报，2000，14(4)：6—9． [4]李佳列，丁国清，颜国正，朱洪海．采用ccD的非接触测 量中提高精度的一种方法[J]．光学精密工程，2002， 10(3)：28l一284． [5]柯玉军，张辉，刘晨．透镜顶焦度的电子测量系统[J]．合肥 工业大学学报(自然科学版)，2002，25(s1)：lcr72—1076． 万方数据 68 重庆大学学报(自然科学版) 2006年 AutomaticMeasuringMethodofEyeglassLensPower YANGB|ng—Shan9，LlAOHai—yang (KeyLabomtoryofOptoelectronicTechnolog)，andSystems，MinistryofEducation， Chongqinguniversi哆，Chongqing400030，China) Abstract：Amethodofmeasuringeye出asslenspowerisproposed．Apositiondetectorand3beamsofmyareusedto measuret11eprismatic，sph谢calandastigmaticpowerS．Basedont11emetllod，anautomaticfocimeterwithsimplestmc— turecanbedeveloped．Themeasureen'orsofprismaticandsphericalpowerSareanalyzed，f而mwhichitisconcluded t11attheprecisionoftllepositiondetectoristllekeytot}lemethod． Keywords：eyedasses；eyeglasslenspower；positiondetector；focimeter (编辑张小强) 卅争《争驴埘h彩渺，西h矽、西～驴、妒、驴、驴、驴、驴、庐电争趔^趔h眵、矿、矿、驴电争硒^翻卜面h趔h胡^司K西h彩、驴、多、驴、驴、矿、矿叫庐卅争《争捌h彩、彩、驴、驴、驴、驴 (上接第57页) TechnoIogyandApplicationofMulti-ArcIonPlating JlANG×ue-feng，L|UQlng—Cai， (SmteKeyLaboratoryofMech锄icalTransmissionsChongqing WANGHai-bo university，Chongqing400030，China) Abs打act：Multi—ArcIonplatingtechnologyisanimpmvedmethodofIonplatinganditisasud．acecoatingtechnology 山atusesarcastIlefountainofvaporizing．Itplatsmpidlywith6ne—tissuedcoat．Itcanbeappliedtomanyaspectssuch ashigh—rigiditycoatingoftoolsandmouldanddecorationcoatingmorewidelyandoccupyamoreimportantplace．This paperintroducest}leprincipleandcharacteristicsofmulti—arcionplating，andon山econclusionofmanystudiesandex— perimentsdoneint}lepreviousyears，thisp印erals0aIlalyses山edevelopmentandapplicationofmulti-arcionplating technologyinsomeareas．ItwiUofferfavorablereferencefortllestudyandapplicationofmulti-arcionplatingtechnolog)r infuture． lj【eywords：multi-arcionplating；coating；’riN (编辑李胜春) 万方数据