一种角膜接触镜综合检测仪及其聚焦评价算法
【专利摘要】本发明涉及一种角膜接触镜综合检测仪及其聚焦评价算法。包括光学成像装置、电子目镜、载物台、升降装置、数字百分表、单片机和平板电脑及其相应的测量控制软件。目镜和物镜间设有准直光管，载物台上下方还分别设置LED斜射照明装置和暗场照明装置。数字百分表探头和载物台相接触，数字信号输出到控制器。升降装置包括固定在底座上的立臂、安装在立臂上的导轨和步进电机和可通过电磁离合器切换实现可变速升降的齿轮齿条传动装置。步进电机和电磁离合器均由控制器控制。本发明还集成了镜片表面质量检测和镜片直径测量功能，实现了镜片的智能化测量，提高了检测效率和测量精度。
【专利说明】一种角膜接触镜综合检测仪及其聚焦评价算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种角膜接触镜综合检测仪及其聚焦评价算法。
【背景技术】
[0002]角膜接触镜在验配和生产过程中，需要对镜片的基弧曲率半径、镜片直径和表面质量进行精确的测量和检测。目前是分别采用基弧仪、直径尺和体视显微镜三种设备来进行检测的，每次都需要重新对镜片进行装卸、定位和调焦，操作过程复杂、检测效率低。镜片的基弧曲率半径要保证检测误差小于0.02mm,目前需要手工调节和肉眼观察来判断镜片清晰度，读取百分表数据。测量结果受人为因素影响较大，且操作者易疲劳，这大大降低了测量精度和工作效率。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种角膜接触镜综合检测仪及其聚焦评价算法，该检测仪及其聚焦评价算法将镜片基弧曲率半径检测和表面质量检测功能集成于一体，且测量过程实现了数字化和自动化，这大大提高了测量精度和检测效率。
[0004]为实现上述目的，本发明所述的角膜接触镜综合检测仪采用了以下技术方案: 系统由光学成像装置、电子目镜、载物台、升降装置、数字百分表、单片机和平板电脑及
其相应的测量控制软件组成。
[0005]采用自准直法进行镜片基弧曲率半径的测量。
[0006]具体地说，所述的电子目镜为采用CXD图像传感器的电子目镜或采用CMOS图像传感器的电子目镜，该电子目镜通过USB数据线和平板电脑相连。
[0007]所述的目镜和物镜间设有准直光管，所述的准直光管由LED灯源、分划板、聚焦透镜和棱镜组成。
[0008]所述的百分表为数字百分表，该数字百分表一端通过数字百分表的探头和载物台相接触，另一端通过控制线和控制器相连，将数字信号输出到控制器。
[0009]所述的控制器以单片机为核心，可记录数字百分表的实时测量数据，并具有步进电机细分驱动电路。通过信号线和平板电脑相连。
[0010]所述的升降装置包括固定在底座上的立臂、安装在立臂上的导轨和用于驱动载物台运动的步进电机；所述的导轨上装有可垂直升降运动的载物台；所述的步进电机的输入端与控制器的输出端相连，输出通过电磁离合器和齿轮齿条升降传动装置带动载物台沿导轨作垂直升降运动。所述的齿轮齿条传动装置具有粗调快进和细调慢进两种方式。载物台上下方分别设置LED斜射照明装置和暗场照明装置。
[0011]所述的步进电机由单片机控制器驱动，通过电磁离合器和齿轮齿条升降传动装置相连，根据测量行程的不同阶段使电磁离合器吸合或释放，以及改变驱动步进电机的脉冲频率，以控制载物台的快进粗调和微调运动。所述的升降导轨为交叉滚柱导轨，以获得较高的测量精度和较长的使用寿命。[0012]所述的暗场照明装置设在所述的底座上，光阑可通过手轮调整。斜射照明装置设在物镜下方，照射角度可以通过球形关节调节。
[0013]本发明的另一目的在于提供一种角膜接触镜综合检测仪的聚焦评价算法，该算法简化了运算，提高了测量效率。该算法包括以下步骤:
(1)通过平板电脑设置亮度采样阈值和采样时间间隔和空间间隔；
(2)软件驱动电子目镜按一定时间间隔进行实时图像采集，得到亮度采样值；
(3)程序根据对亮度采样值的分析，判断待测镜片相对于合焦点的位置，通过控制器发送相应控制信号给电磁离合器和步进电机，使载物台按合适的速度进给(要求距离合焦点越近,进给越慢)。
[0014](4)在程序中启动聚焦评价线程，对采集的图像矩阵进行二值化处理，并统计亮点个数。在亮度大于阈值的情况下，亮点个数达到极小值时，表明已处于合焦位置。
[0015](5)通过数字百分表测出整个行程中两个合焦位置的距离即待测镜片的基弧曲率半径。
[0016]具体地说，步骤(3)中所述的对亮度采样值进行分析的具体过程为:
若亮度采样值小于所设定的阈值，则表明尚未到达聚焦区域，控制器控制电磁离合器和步进电机，驱动载物台快速进给。当亮度采样值大于所设定的亮度阈值，则表明已接近合焦位置，控制器控制电磁离合器和步进电机，使载物台按与亮度采样值成反比的速度进给。当亮度采样值接近最大值时，表明已非常接近合焦点，载物台以很慢的速度微调进给以准确地判断合焦位置。
[0017]本发明所述的聚焦评价算法的原理为:
由于是在动态测量过程中进行聚焦评价分析，常规的算法会因占用较多时间而无法保证测量的实时性。根据图样特点和实验研究，本发明选择了将图像像素亮度和二值化后亮点个数结合起来进行聚焦评价分析，取得了良好的效果。该算法的基本思路是:光学分划板刻有若干密集的水平和垂直直线，对这些线条的图像进行数字二值化处理，聚焦不良时，图像线条亮度较低，边缘模糊，二值化后的像素亮点数较多。而当处于最佳聚焦状态时，图像线条亮度接近极大值。同时因边缘清晰，二值化后的像素亮点数出现极小值，即到达合焦位置。如果分别对X和Y轴方向进行像素亮点数极小值的统计分析，还可以实现对复曲面的两个方向的曲率半径Rx和Ry进行测量。
[0018]本发明的优点:
(I)本发明实现了角膜接触镜镜片的曲率半径测量的数字化和自动化，减少了人为因素对测量的影响。在光学自准直测量法的基础上，用电子目镜替代光学目镜，用计算机图像识别系统分析聚焦清晰度来代替人眼观察，同时通过计算机控制步进电机进行调焦，通过数字百分表的数据接口自动获取和记录测量结果，实现了测量的数字化和智能化。
[0019](2)本发明实现了镜片基弧曲率半径和镜片表面质量的综合检测。通过在检测仪上设置准直光管进行镜片基弧曲率半径的检测，同时在待测镜片正下方设置暗场照明装置，通过分析镜片表面的图像检测镜片表面质量。实现了将镜片基弧曲率半径和表面质量检测功能集成于一体。简化了检测过程,提高了检测效率。
[0020](3)本发明各光源均采用大功率的LED光源，通过多位开关切换。测量基弧时使用准直光管的光源。检测表面质量时采用物镜下方的暗场照明光源，利用散射效应使待测角膜接触镜镜片表面的划痕和瑕疵都能产生清晰的图样供分析检验。
[0021](4)本发明所述的聚焦评价算法根据该检测仪所采集图像的特点，分别沿X轴和Y轴进行以一定间隔进行抽样统计。该算法不仅大大减少了计算时间，还可对X轴和Y轴两个方向分别得出评价结果，解决了复曲面镜片(如ToriC)基弧具有Rx和Ry两个不同曲率半径值的测量问题。
[0022]综上所述，本发明检测仪根据实际测量需要，采用简洁的聚焦函数评价算法，不仅实现了镜片基弧曲率半径测量的数字化和自动化，还将镜片基弧曲率半径检测和表面质量检测功能集成于一体，大大提高了测量精度和检测效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明的结构示意图。
[0024]其中:
1、目镜，2、准直光管，3、物镜，4、镜片，5、载物台，6、齿轮齿条传动装置，7、升降导轨，8、步进电机，9、暗场照明装置，10、底座，11、数字百分表，12、平板电脑，13、手动调焦旋钮，14、控制器，15、电磁离合器，16、LED斜射照明装置。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步说明:
实施例1
如图1所示的一种角膜接触镜综合检测仪，包括目镜1、物镜3、载物台5、百分表11。具体地说，目镜I为电子目镜，目镜I和物镜3间设有准直光管2，百分表11为数字百分表，载物台5下方固设有升降装置，升降装置上设有暗场照明装置9。具体地说，准直光管2包括依次相连的LED灯源、分划板、聚焦透镜和棱镜。所述的物镜3的正下方设有LED暗场照明装置。电子目镜I采用CMOS图像传感器。数字百分表11通过探头和载物台5相接触，输出信号端通过控制线和控制器14相连。在载物台5上固设有用于定位镜片4检测位置的定位装置。用于定位镜片4检测位置的定位装置包括方形托盘和活动安装在方形托盘上方的可旋转圆形托盘，圆形托盘沿圆周设有4个定位凹槽，方形托盘上固设有弹簧定位块。通过定位装置上凹槽和定位块的配合，可实现镜片的快速安装定位。
[0026]通过在检测仪上设置准直光管2，采用准直法测量曲率半径，保证了较高的测量精度。在光学自准直测量法的基础上，用电子目镜替代光学目镜，用计算机图像识别系统分析聚焦清晰度来代替人眼观察，同时通过计算机控制步进电机和电磁离合器驱动升降台升降进行调焦，通过数字百分表的数据接口自动获取和记录测量结果，实现测量的数字化和自动化。
[0027]该检测仪同时在待测镜片4的正下方设置暗场照明装置9进行镜片表面质量的检测。通过暗场照明装置9，利用散射效应，使待测角膜接触镜镜片4的表面划痕和瑕疵都能产生清晰的图样供分析检验，以实现镜片表面质量检测的智能化。
[0028]进一步的，电子目镜I通过USB数据线和平板电脑12相连。控制器14通过信号线和平板电脑12相连。通过平板电脑12和控制器14控制检测仪检测过程，实现了检测的数字化和自动化。[0029]进一步的，所述的升降装置包括导轨7、固定安装在导轨7下方的底座10和用于控制载物台运动的步进电机8 ;所述的步进电机8的输入端与控制器14的输出端相连，输出通过电磁离合器15和升降齿轮齿条传动装置6相连。
[0030]所述的升降装置包括固定在底座10上的立臂17、安装在立臂17上的导轨7和用于驱动载物台运动的步进电机8。所述的导轨7上装有可垂直升降运动的载物台5 ;所述的步进电机8的输入端与控制器14的输出端相连,输出通过电磁离合器15和齿轮齿条传动装置6带动载物台5沿导轨作垂直升降运动。所述的齿轮齿条传动装置具有粗调和细调两种进给方式。电磁离合器15连接步进电机8与升降齿轮齿条传动装置6，在控制器14的控制下，得电吸合时带动快进装置，断电时带动慢进装置，在粗调和细调两种方式之间切换，可有效地节省检测时间。
[0031]电子目镜将图像采集到平板电脑，相应的测量程序采集数字图像的像素亮度和分析图像聚焦状态，输出控制指令给控制器，控制器驱动步进电机和电磁离合器，控制载物台的快速或慢速升降，数字百分表测出升降过程中两次合焦的位置数据，并将该位置数据通过控制器传给平板电脑，从而计算出待测镜片的基弧曲率半径。
[0032]本发明的另一个目的在于提供一种用于上述角膜接触镜综合检测仪的聚焦评价算法，该算法包括以下步骤:
(1)通过平板电脑设置亮度阈值和采样间隔；
(2)根据采样间隔，控制器发送控制信号驱动电子目镜进行实时图像采集；
(3)根据所设定的阈值和亮度采样最大值，对亮度采样值进行分析；
(4 )控制器根据分析结果，控制器发送相应控制信号给步进电机，使步进电机驱动升降齿轮传动装置以不同速度进给；
(5)启动聚焦评价线程，对采集的图像矩阵进行二值化处理，并分别沿X轴和Y轴统计分析统计亮点数。当亮度接近极大，亮点数极小时即为合焦点。
[0033]具体地说，步骤(3)中所述的对亮度采样值进行分析的具体过程为:
若亮度采样值小于所设定的阈值，则表明尚未到达聚焦区域，控制器发送控制信号给步进电机，使步进电机驱动升降齿轮齿条传动装置带动载物台快速进给。当亮度采样值大于所设定的阈值，则表明已接近聚焦区域，控制器发送控制信号给步进电机，驱动升降齿轮齿条传动装置带动载物台以和所采集到的亮度成反比的速度进给。当亮度采样值接近最大值时，载物台将以极慢速度进给，以保证测量的精度。
[0034]本发明的具体使用过程如下:
本发明角膜接触镜综合检测仪，根据实际测量需要，在升降导轨7 —侧设有手动调焦旋钮13，所以该检测仪既可以采用手动方式进行检测，又可以采用自动方式进行检测。当采用手动操作方式测量镜片基弧曲率半径时，首先将待测镜片4通过载物台5上的定位装置装于物镜3下方中心点，选择IOX物镜，打开准直光管2内LED光源的开关；其次将载物台5从下限位置开始提升，通过目镜I或计算机屏幕观察三线米字分划板的像至最清晰位置(可分辨出三条直线)，此时将数字百分表11复位归零；再次将载物台5继续提升，目镜I或计算机屏幕观察米字分划板的像再次至最清晰位置；最后，读取数字百分表11数据，即为待测镜片基弧曲率半径。当采用手动操作方式测量镜片表面质量时，首先将待测镜片4通过定位装置装于物镜3下方中心点，选择2X物镜，打开物体下方暗场照明光源9的开关；其次通过显微镜手动调焦旋钮13调至镜片表面图像清晰，通过目镜I或计算机屏幕观察分析镜片表面质量。
[0035]当采用自动操作方式测量镜片的基弧曲率半径测量时，首先将待测镜片4通过定位装置装于物镜3下方中心点；然后启动计算机上检测软件，选择基弧曲率半径测量功能，由该软件通过控制器14控制步进电机8驱动载物台5升降，并通过聚焦评价算法记录数字百分表11在两次清晰成像的位置，其高度差即为待测基弧曲率半径。当采用自动操作方式测量镜片的表面质量时，首先将待测镜片4通过定位装置装于物镜3下方中心点，选择2X物镜，打开物体下方透射光源9的开关；然后启动计算机上检测软件，选择表面质量分析功能。通过图像分析软件，根据划痕和疵点的大小和数量判断其表面质量是否合格。
[0036]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种角膜接触镜综合检测仪，包括目镜(I)、物镜(3 )、载物台(5 )和百分表(11)，其特征在于:所述的目镜(I)为电子目镜，所述的目镜(I)和物镜(3)间设有准直光管(2)，所述的百分表(11)为设在载物台(5)上方的数字百分表，所述的载物台(5)下方设有升降装置，所述的升降装置上设有暗场照明装置(9 )。
2.根据权利要求1所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:所述的电子目镜(O为采用CXD图像传感器的电子目镜或采用CMOS图像传感器的电子目镜。
3.根据权利要求1所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:所述的数字百分表(11) 一端通过数字百分表的探头和载物台(5)相接触，另一端通过信号线和控制器(14)相连。
4.根据权利要求1所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:所述的升降装置包括固定在底座(10)上的立臂(17)、安装在立臂(17)上的导轨(7)和用于驱动载物台运动的步进电机(8);所述的导轨(7)上装有可垂直升降运动的载物台(5);所述的步进电机(8)的输入端与控制器(14)的输出端相连,输出通过电磁离合器(15)和齿轮齿条升降传动装置(6)带动载物台(5)沿导轨作垂直升降运动。
5.根据权利要求2所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:所述的电子目镜(I)通过USB数据线和平板电脑(12)相连。
6.根据权利要求5所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:所述的控制器(14)通过信号线和平板电脑(12)相连。
7.根据权利要求5所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:所述的升降导轨(7 )采用交叉滚柱导轨，且对称分布在底座(10 )上。
8.根据权利要求8所述的一种角膜接触镜综合检测仪，其特征在于:载物台下方装有暗场照明装置(9 )，所述的物镜(3 )下方设有LED斜射照明装置(16 )。
9.根据权利要求1所述的一种角膜接触镜综合检测仪的聚焦评价算法，其特征在于:该算法包括以下步骤: (1)通过平板电脑设置亮度阈值和采样时间间隔和空间间隔； (2)根据采样间隔，平板电脑驱动电子目镜进行实时数字图像采集，得到亮度采样值； (3)通过软件对亮度值进行采样，并根据采样结果向控制器发送不同的进给指令； (4)控制器根据进给指令驱动步进电机和电磁离合器，通过升降齿轮齿条传动装置使载物台以不同的方向和速度升降； (5)在亮度超过阈值的位置区间，测量软件启动聚焦分析线程，对采集的数字图像矩阵进行二值化处理，并分别沿X轴和Y轴进行亮点数的分析统计，依据图像在合焦时具有亮度最高、直线最细的特征进行聚焦评价。
10.根据权利要求9所述的一种角膜接触镜综合检测仪的聚焦评价算法，其特征在于:步骤(3)中所述的根据亮度采样值控制升降的具体过程为: 若亮度采样值小于阈值，表明距离合焦位置较远，故向控制器发送快速进给指令，电磁离合器吸合，步进电机通过快进传动机构使载物台快速进给； 当亮度采样值大于亮度阈值，则表明已接近合焦区域，则根据亮度采样值计算合适的进给速度控制步进电机驱动载物台升降；亮度越高，表明越接近合焦点，进给必须越慢以保证测量精度。
【文档编号】G02C13/00GK103792686SQ201410039469
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】王小立 申请人:欧普康视科技（合肥）有限公司