专利名称：镜片大口径自动扫描测量仪的制作方法
技术领域：
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的一种镜片大口径自动扫描测量仪。主要用于眼镜片(特别是变焦镜片)和隐形镜片的大口径范围中的光学中心、球面屈光度、柱面屈光度及轴向、棱镜度及底轴等光学性质的测量。具有实时和自动测量的功能，并能在显示屏上形象地显示两维数据分布及打印输出，还能用打印图案贴上被测镜片的方法实地显示。wc已有技术中对眼镜片光学性质的测量主要采用两类屈光度议。第一类是光学顶点屈光度仪。第二类是全自动屈光度仪。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，均存在不少缺点。
本发明专利申请人在中国专利ZL95111577.4中提供一种镜片大口径自动测量仪，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转角，用光电位置探测器转换偏转角度信号为电信号，输进图像处理器内运算，最后显示和打印两维分布。它解决了光学顶点屈光度仪和全自动屈光度仪的上述缺点，也特别适用于多焦镜片和变焦镜片的实时全口径测量。但是存在如下缺点光学付里叶变换透镜的口径必须与被测镜片的口径相当，这使得光学系统的设计和制造复杂，光学系统及其仪器的几何尺寸庞大，重量大。
本发明的目的是为克服上述已有技术专利ZL95111577.4的“镜片大口径自动测量仪”存在的技术问题并同时保留其一步自动测量大口径镜片全部光学性质的优点，将能够大大缩小付里叶变换透镜及其整个光学系统的通光口径，继而通过扫描平台参考坐标点上的折射角数据可计算出与各照射点上有关的光学中心位置、球面屈光度、柱面屈光度及轴向、棱镜度及底轴的数值，一次扫描整个镜片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扫描测量仪，包括光学系统和电学系统。在光学系统中沿光路行进方向上从平行细光束照明器18开始，依次有置放被测镜片9的扫描载物平台8、滤光片10、付里叶变换透镜11、光点位置光电传感器12；电子系统有由光点位置传感器12输出电信号通过模数转换电路13进入图象处理器14，图象处理器14通过扫描驱动电路15连到扫描载物平台8上，图象处理器14还带有显示屏16和打印机17。
一、光学系统在光学系统中，照射到扫描载物平台8上被测镜片9的光束是由平行细光束照明器18提供的直径为dg的平行细光束。在平行细光束照明器18与扫描载物平台8之间，或者有整形光栏6，或者有列阵小孔板7，或者整形光栏6和列阵小孔板7两者都有。如图1所示。当平行细光束照明器18产生理想的光束直径dg＝φ0.5～φ3mm的平行细光束时，上述的整形光栏6和列阵小孔板7两者都可以不用。
扫描载物平台8进行同一平面内的二维移动，移动方式有两种连续平动或步进平动。当平行细光束照明器18与扫描载物平台8之间，有列阵小孔板7和整形光栏6时，列阵小孔板7上的小孔的位置相应按照扫描载物平台8的扫描轨迹排列。为保证测量精度，小孔的口径一般为圆形，尺寸相同，小孔直径dx以dx＝dg＝φ0.5mm—φ3mm为宜，小孔之间的间隔b以b＝1mm—5mm为宜，平行细光束照明器18在整形光栏6上产生的光束直径dg应大于或等于整形光栏6的直径de即dg≥de，整形光栏6的直径de与列阵小孔板7上的小孔的口径dx近似相同，即de≈dx。为保证被测镜片9的大口径测量，扫描载物平台8相对中心的最大移动距离以15mm—30mm为宜。
扫描载物平台8采用正交方向移动方式时，列阵小孔板7的小孔采用方格形排列，其方向与移动方向平行。如图2所示。
光源1在时间上可以是连续输出光源，也可以是脉冲光源，在空间上可以是点光源，或者类点光源或者准直光源。平行细光束照明器18有二种结构，第一种为点光源或类点光源和扩束准直系统的组合，扩束准直系统可以是准直透镜，或者是转换透镜，或者是空间滤波小孔和准直透镜的组合。第二种光源1为直接产生平行细光束的激光器。
光点位置光电传感器12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。光点位置光电传感器12可以是光电位置探测器，或者是光电池列阵，或者是光电二极管列阵，或者是光电三极管列阵，或者是电荷耦合器件或电荷注入器件。为保证测量精度，列阵结构的元件的探测单元采用方格形排列，如图3所示。其探测单元口径为圆形或方形，占空比以1∶4—1∶1为宜，探测单元数以400×400—5000×5000为宜。
为保证扫描载物平台8扫描时的光点位置光电传感器12的整幅采样，整个光点位置光电传感器12的采样，转换和存储时间应小于列阵小孔板7的一个位置移动周期时间。光点位置光电传感器12与扫描载物平台8的相对几何位置可按照它们的探测单元排列方向和扫描移动方向成平行(如图3所示)或者成45°角安置。
付里叶变换透镜11的有效半径应当大于最大可测屈光度下光束在透镜输入面上的产生的偏移。为保证像质，付里叶变换透镜的相对孔径取小于1∶2为宜。为保证最大屈光度值的测量，付里叶变换透镜11的焦距f与光点位置光电传感器12的有效口径Dy之比应当等于或小于8∶1即f∶Dy≤8∶1。
为减少环境杂散光产生的噪声和产生标准波长，在付里叶变换透镜11与被测镜片9之间加入滤光片10。滤光片10是滤光片或干涉滤光片。
扫描载物平台8上的载物架能支撑被测镜片9，被测镜片9是眼镜片或隐形镜片。扫描载物平台8并附有可伸缩的固定装置用于固定被测镜片9。
为记录被测镜片9在仪器上的位置，测量仪有可伸缩的打印标志的装置。
为缩小测量仪的外形尺寸，光学系统的主轴上有一个或更多的反射镜5。
二、电子系统为保证扫描，采样和计算的同步，图象处理器14作为主控计算机同时控制扫描载物平台8的驱动及移动位置采样，以及光点位置光电传感器12的光点位置采样和本身的计算执行程序。所以，图象处理器14通过模数转换电路13与光点位置光电传感器12相连，图象处理器14通过扫描驱动电路15与扫描载物平台8相连。
为保证测量精度，图象处理器14采样数字图像处理技术求取光点在光点位置光电传感器12上的中心位置。
为存储采样数据，计算结果和计算中间结果，图象处理器14有一个或更多的内存储器，有数字化和两维图像显示器。
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14的内存。
光源1可以是连续输出光源，也可以是脉冲光源。每个采样点上的光束持续时间是由列阵小孔板7的小孔通过整形光栏6的时间和光脉冲时间所决定。
本发明的优点是本发明除了具有已有技术中专利号为ZL95111577.4的优点，诸如能对镜片的大口径范围进行自动化的一步性测量；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；能同时测定双焦，多焦和变焦镜片的各光学中心位置；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；能区分多焦镜片的各个视区；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；测量自动化，操作简单；测量范围大，精度高；棱镜度测量时不需附加补偿用的标准棱镜；以1∶1比例的打印图象直接表征多焦和变焦镜片的特征。之外还具有仪器结构简单而紧凑的优点，由于结构上采用控制扫描载物平台8的扫描，勿需上述已有技术专利ZL95111577.4中要求的大口径付里叶变换透镜，无需电记址空间光调制器。结构简化了，因此成本降低了，体积和外形尺寸也大大缩小了。
图1是本发明镜片大口径自动扫描测量仪一种实施例的系统示意图。
图2是实施例中列阵小孔板7的小孔排列格式与扫描载物平台8，x，y两个正交的平移方向的示意图。
图3是实施例中光点位置光电传感器12的取向示意图。
图4是实施例中计算点位置示意图。
实施例下面结合附图进一步详细说明本发明如图1是本发明的一个实施例的系统示意图。照明准点光源1是红光半导体连续激光器。采用透镜2使光源成象于空间滤波器3上，经过准直透镜4产生平行的细光束照明光，经过反射镜5再通过整形光栏6进一步空间整形。反射镜5是为缩小测量仪的外形尺寸而设置的。列阵小孔板7和被测镜片9由扫描载物平台8一起拖动。图象处理器14通过扫描驱动电路15控制扫描载物平台7的平移并取得其位置坐标。列阵小孔板7上的圆孔的排列格式为45°方格形状，x轴和y轴方向是扫描载物平台8的两个正交的平移方向。如图2所示。光束通过列阵小孔板7中的一个小孔的通光时间由小孔相对整形光栏6的扫描时间所定。一个小孔开通时间内的一细光束照射于扫描载物平台8上的被测镜片9，滤光片10滤去环境杂散光，产生红光标准测试波长。付里叶变换透镜11将经过被测镜片9折射的该光束投射到位于其后焦面上的光点位置光电传感器12上。光点位置光电传感器12采用光电位置探测器，其放置方向见图3中的方框所示。由于光学付里叶变换性质，该投射光束的位置就代表了折射角。光点位置光电传感器12由图象处理器14控制并采样，通过模数转换电路13变为数字信号。然后将该小孔的中心位置和光点位置光电传感器12得到的沿x轴和y轴的两个坐标信号存储进图象处理器14的一个存储器中。扫描载物平台8的一次全扫描过程中，图象处理器14存储下全部折射光束位置及其相应的小孔位置坐标的数据。
实际操作运算被测镜片9物面上任一坐标点的有关光学中心、球面屈光度、柱面屈光度及轴向、棱镜度及底轴的六个光学性质量能够用该物点邻近区域中(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。为保证测量精度并减少冗余采样，取四个位于正方形角上排列的物点来推算出中央物点的光学性质。为保证计算的正确性，方格栅形的小孔列阵和光点位置光电传感器以45°角度放置。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9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，透镜2的口径为φ20mm，焦距为10mm，准直透镜4的口径为φ20mm，焦距为10mm，空间滤波器3的针孔直径为0.2mm。列阵小孔板7有25×25个间隔为3.5mm的φ2mm的圆孔。光点位置光电传感器12的有效口径尺寸为100mm×100mm，分辨率1/1000。付里叶变换透镜10的口径为φ20mm，焦距f＝400mm。图象处理器14中的中心处理器为586，266兆，32位，内存64兆。
光束的折射角θx和θy由其在光点位置光电传感器12上的位置x和y决定，其为tgθx=xf]]>tgθy=yf]]>图4表示由四个小孔的折射角决定其中心物点Δ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(tgθx(1)，tgθy(1))，(tgθx(2)，tgθy(2))，(tgθx(3)，tgθy(3))和(tgθx(4)，tgθy(4))，其中x，y和Δ为毫米单位，则中间变量定义为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该计算点对应的光学性质为，光学中心位置x0=BE-CFAB-C2-----(mm)]]>y0=AF-CEAB-C2---------(mm)]]>柱镜轴向th2θ=2CA-B]]>球面屈光度D1=-1000(A+B2+Ccos2θ)--------(D)]]>柱镜屈光度D2=-1000(A+B2-Ccos2θ)--------(D)]]>柱镜底轴tgϕ=GH]]>棱镜度Δ=G2+H2×100]]>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。
权利要求
1.一种镜片大口径自动扫描测量仪，含有光学系统和电子系统，光学系统中沿其光路行进方向上依次有被测镜片(9)、滤光片(10)、付里叶变换透镜(11)、光点位置光电传感器(12)；电子系统有由光点位置光电传感器(12)输出的电信号通过模数转换电路(13)进入图象处理器(14)，图象处理器(14)还连有显示屏(16)和打印机(17)，其特征在于被测镜片(9)是置于扫描载物平台(8)上；扫描载物平台(8)通过扫描驱动电路(15)与图象处理器(14)相联，照射到扫描载物平台(8)上被测镜片(9)的光束是由平行细光束照明器(18)提供的直径为dg的平行细光束。
2.按权利要求1的镜片大口径自动扫描测量仪，其特征是扫描载物平台(8)进行同一平面内的二维移动，移动方式为连续平动或者步进平动。
3.按权利要求1的镜片大口径自动扫描测量仪，其特征是平行细光束的直径dg＝φ0.5mm一φ3mm。
4.按权利要求1的镜片大口径自动扫描测量仪，其特征是平行细光束照明器(18)与扫描载物平台(8)之间，或者有整形光栏(6)，或者有列阵小孔板(7)，或者整形光栏(6)和列阵小孔板(7)两者都有或者两者都没有。
5.按权利要求1的镜片大口径自动扫描测量仪，其特征是平行细光束照明器(18)是由光源(1)、转换透镜(2)、空间滤波小孔(3)和准直透镜(4)所构成，或者是由光源和准直透镜所构成，或者是直接产生平行光束的激光器所构成。
6.按权利要求1或5的镜片大口径自动扫描测量仪，其特征是光源(1)在时间上是连续输出光源或者是脉冲光源，空间上是点光源，或者是类点光源，或者是准直光源。
7.按权利要求1或4的镜片大口径自动扫描测量仪，其特征是平行细光束照明器(18)提供的平行细光束的直径大于或等于整形光栏(6)的直径de，即dg≥de；整形光栏(6)的直径de与列阵小孔板(7)上的小孔口径dx近似相同，即de≈dx
全文摘要
一种镜片大口径自动扫描测量仪，用于镜片或隐形镜片大口径范围中光学中心位置、球面屈光度、柱面屈光度及轴向、棱镜度及底轴等光学性质的测量。它用平行细光束照射被测镜片，用付里叶变换透镜产生折射光束的偏折角，用光点位置光电传感器转换偏振角为电信号，用移动扫描载物平台的结构扫描整个镜片，用图象处理器进行计算和处理，最后显示和打印出两维分布。本发明的优点是仪器结构简单、紧凑，大口径一步实时测量、操作自动化、能直接和形象精确地取得大口径范围内的全部光学性质数据。
文档编号G01M11/00GK1239223SQ99113590
公开日1999年12月22日 申请日期1999年3月31日 优先权日1999年3月31日
发明者吴宗焱, 刘立人, J·L·德·布格内 申请人:刘立人, 吴宗焱, J·L·德·布格内