专利名称：在溶液中测量接触透镜的背面曲率半径和中心材料厚度的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明总的涉及接触透镜领域；尤其涉及在溶液中测量一个接触透镜的正面曲率半径、背面曲率半径和中心的材料厚度。
2.先前技术讨论传统技术被广泛采用来测量一个接触透镜的光学参数。虽然有一些方法可以测量一个接触透镜的直径(D)，但是没有一种方法可供同时测量一个透镜的正面曲率半径(FC)、背面曲率半径(BC)和中心的材料厚度(MT)。
美国专利5062297是公开了一种测量一个物体轮廓的方法。在该方法中，从一个超声波传感器，向着在水中由一个支承零件支承的物体发射超声波，并且，在该物体表面上反射的波由该传感器检测。然而，在该专利中所公开的方法，为了生成平均的BC、FC和BC SAG(背面弯曲的径向高度)，需要将该传感器移动至不同的测量点，以获得多个轮廓数据，因此效率较低。这种测量方法效率较低的原因在于，它要求重复的参数测量，这就造成成本增加。另外，该专利中提出的方法使用一种扩散的超声波束；该波束对透镜的曲率变化比较敏感，因此，不适合用于复曲面透镜。
因此，希望开发一种能解决上述问题的测量接触透镜的光学参数的测量方法。
附图简要说明业内人士，参照下面结合附图对优选实施例的详细说明，可以更容易地理解本发明。在附图中，相同的元件用相同的标号表示，其中
图1用简图表示根据本发明的一个示例性测量系统；和图2用简图表示图1所示的支承件的顶视图。
优选实施例详细说明本发明旨在提供一种同时测量一个透镜，具体地说是一个复曲面透镜的中心材料厚度和背面曲率半径的方法和装置。利用一个传感器，向着一个透镜发射超声波，然后，超声时再从该透镜的正面表面和背面表面反射出来。基于该传感器的输出对所接收到的反射的超声波的响应，产生电压对时间的波形。中心材料厚度是通过测量该传感器接收到从该透镜的第一个表面出来的反射波形，与从该透镜的第二表面出来的反射波形之间的时间间隔来确定的。根据该时间间隔，利用考虑到在当前的试验温度下，在该透镜材料中声音的速度的查寻表或数据库，可以确定中心的材料厚度。此外，通过首先检测从该透镜的第一个表面反射出来的超声波或回声，与从在该透镜下面的一个参考平面薄膜反射出来的回声之间的时间间隔，可以测量透镜径向高度。该参考平面可以是一个实际的薄膜；或者另一种方案是，偏离主脉冲信号或者是模拟从一个虚拟的参考薄膜发出的回声的触发信号的一个虚拟时间。利用一个查寻表(LUT)或标定标准，也可将这个时间间隔转换成代表该透镜的径向高度的距离测量值。在这种情况下，查寻表(LUT)要计及该透镜支架的直径，和随着温度和浸入液体形式而变化的浸入介质中的音速。根据所测量的径向高度，利用众所周知的圆的弦长和径向高度之间的几何关系，计算背面曲率半径。
参见图1，图中表示一个优选的测量系统的例子。一个容纳装置1-例如一只碗由一个基座18支承。为了防止滑动，最好在该碗和基底之间放入一个圆环17。该容纳装置1包括外部液体容器和内部液体容器，在图1中表示为外容器19和内容器20。该内容器20充满第一种液体23a，例如一种缓冲的盐水溶液。外容器19由一个盖16盖住，并充满一种传热介质23b，例如蒸馏水。该蒸馏水的温度保持基本上恒定，以便稳定测试物体2和传感器3的温度。在测量测试物体2的过程中，在该盖16和内容器20上面，放置一个盖或罩22。最好，盖22包括一个捏手25，以便于将该盖从上述容纳装置1上取下和将它盖在容纳装置1上。上述传感器3与一个延迟装置/滤波器28和一个聚焦或声学透镜30一起，放置在一个壳体29中。该聚焦透镜将超声波束变窄成一个小的点，大约为400微米或更小的数量级，以保证测量是在该透镜表面的一个较小的部分上进行，而不是在整个镜片区上取平均值。
外容器19有一个支承件21，例如带有一个纵向贯通的通道或槽21a，向上伸出至上述内容器20中的一个圆锥形的。有锥度的支架。在该支承件21上面，放置一个夹持装置27，例如一个接头。如图2所示，在该夹持装置27上的夹持器的顶部表面上，作出一个环形的槽或隆起部分27b。在环形槽27b中，作出一个或多个径向槽27c，使第一种液体23a能在该内容器20和上述支架内的槽21a之间自由流动或通过。可以使用带有在其中作出的一个或多个径向槽的一个环形隆起部分，来代替上述的环形槽。
上述系统设置了多个夹持装置，每一个装置都具有一条不同直径的环形槽27b。操作者根据要测试的接触透镜的直径，选择一个特定的夹持装置27。特别是，要选择具有一条尺寸足够大的环形槽27b的夹持装置27的夹持器，使得当透镜2放上去时，该透镜的运动容许间隙可忽略不计。这可以保证超声波束基本上与该透镜的入射表面垂直地投射。否则的话，如果在透镜2和夹持器的环形槽27b之间的容许间隙太大，则由传感器3发射的超声波束不会基本上与该透镜的入射表面垂直地投射到该透镜上。这样，从该透镜表面上反射出来的超声波较弱，并且有波动。另外，夹持装置27保证，该透镜的厚度基本上是在该测试透镜的中心测量的。因此，该夹持装置27可使该透镜2相对于传感器3，进行自动定心调整。
要测试的物体2，例如一个复曲面接触透镜，浸没在液体23a中，并且凹面向下，放置在支承件21上的夹持器的环形槽27b中。透镜2的凹面朝下的定向提供了一个更方便的径向(SAG)高度参考基准。在开始测量光学参数之前，最好让该接触透镜2在原位放置一段预先确定的时间——最好大约为10秒，以便安放在上述环形槽27b中。
传感器3放置在该支承件21下面，传感器的侧壁被上述外容器19包围，以便使上述传热介质23b稳定该传感器的温度。在一个优选实施例中，该透镜2放在离该传感器的焦点大约67mm处。在传感器3和外容器19之间，放入一个密封装置24，例如O形圈。第一种液体23a从上述内容器20，自由地通过该可透过的接触透镜2和在上述夹持装置27的夹持器上作出的槽27c，进入上述支承件内的槽21a中，但不与在上述外容器19中的传热介质23b混合或交换。
采用诸如与上述碗组件1连接的电路一类的装置，来确定该接触透镜2的背面弯曲的径向深度(BC SAG)和材料厚度(MT)。具体地说是，传感器3将由一个超声电压脉冲发生器4--例如一个脉冲发生器产生的超声波，辐射至该透镜2，然后超声波再从该透镜的表面反射出来，并被该传感器接收。在一个优选实施例中，该脉冲发生器可以每秒脉动大约1～10000次，每一个脉冲信号的频率大约为5MHz～100MHz。具体地说，该透镜2有第一个表面(与传感器3最靠近)和第二个表面(离传感器3最远)；每一个表面都产生反射的超声波。一个定时选通器5与上述超声电压脉冲发生器4连接，并与脉冲信号或主脉冲信号同步。该定时选通器5还与处理器8，10连接。该处理器将从传感器3返回信号的处理限制在只包括从该透镜2的一个或二个表面反射出来的超声波，并抑制从液体23a的表面反射出来的超声波。
利用一个电压去驱动该传感器的晶体或聚合物。具体地说，所加的电压有压电作用，使该传感器变形，并发射超声波。该超声波穿过溶液，或者是该传感器3与测试物体2之间的界面。一部分超声波从该透镜的第一个表面反射出来，而剩余部分的超声波则穿过该透镜2，并从该透镜的第二个表面反射出来。每一个反射出来的超声波都冲击该传感器3，并使它变形，从而随着时间的推移而改变传感器相应的电压。这种改变可以表示为电压对时间的波形。从传感器出来的电压输出被一个分离器26还原，并传送至用于确定中心材料厚度(MT)的第一个接收器6，和用于确定可以推导出背面弯曲径向高度(BC SAG)的水轨迹(WP)的第二个接收器7。
接收器6、7测量该传感器随时间变化的电压输出，以分别产生MT和WP波形。该透镜的每一个表面产生由电压对时间的波形表示的一个相应的反射超声波。由该透镜的第一和第二个表面反射出来的超声波所产生的MT波形，可以用来确定该透镜的材料厚度。具体地说，由该透镜的第一个表面反射出来的超声波产生的MT波形，和由该透镜的第二个表面反射出来的超声波产生的MT波形之间的时间间隔，与该透镜的材料厚度成正比。由接收器6检测的电压随时间变化的信息传送至处理器8，以便根据由该传感器分别接收到的、从该透镜的第一和第二个表面反射出来的超声波之间的时间间隔，计算该透镜的材料厚度。具体地说，利用查寻表(LUT)或不同厚度的物体的数据库，可以将上述电压随时间变化的信息，转换为相应的空间距离。由于不同材料和热效应造成的变化的影响，因此不采用绝对的瞬时测量。LUT最好是用在各种影响可根据已知的标准进行标定的地方。
处理器10接收从第二个接收器7来的电压输出，并计算WP或SAG高度。在进行测量之前，必需建立一个测量SAG高度的参考平面。在一个优选实施例中，将一个实际的参考平面结构——例如一块塑料板，浸入第一种液体23a中。最好，该参考平板由其声阻抗与要测试的透镜聚合物的声阻抗基本上相同的材料制成。这点是很重要的，因为反射的幅度取决于在二种材料之间的界面上，该浸液体和反射物体之间的差别。由于增益放大电路9将不具有等效振幅的信号的电气波形，在时间上偏移至不同程度，因此，如果参考板和要测试的透镜具有基本上等效的声阻抗，则可以得到更精确的结果。例如，铝板就不是十分理想，而玻璃板较好，更好的是疏水性塑料，例如，一种取向聚烯烃(orieated polyolefin)。
为了开发用于在时间和距离测量之间进行转换的标定标准或数据库、对于不同SAG高度的各种透镜，测量了从透镜的第一个表面反射出来，到达上述参考塑料板的超声波的WP波形之间的时间间隔。然后，除去该实际的板结构，并利用在与该塑料板同一位置上的一个人工的或虚拟的参考平面，用电子手段来表示该参考平面。处理器10确定从该透镜的第一个表面反射出来，到达上述人工的参考平面的WP波形的时间间隔。再利用开发出的标定标准，将检测出的时间间隔，转换成代表SAG高度的距离测量值。另外，透镜的背面曲率半径(BC)由下式确定R=c28h+h2]]>式中c--弦长；R--背面曲率半径；和h--物体的径向高度。
如上所述，物体的SAG高度已被确定。当测量一个接触透镜时，该弦长c代表在该接触透镜的末端上的固定的人工参考平面的长度，例如，在上述夹持装置27与该透镜的边缘相交时，该透镜的直径。如果测试的透镜为有二个半径的一个复曲面透镜，则将已知变量代入式(1)，并求解半径R，就可得到代表该二个半径的有效的或平均的背面弯曲的径向高度(BC SAG)的一个生成值。实际上，一般使用一个查寻表(LUT)或数据库，来确定基于SAG高度的有效或平均的BC SAG。
第一个自动增益控制装置(AGC)9是通过第一个处理器8和第一个接收器6之间的反馈回路连接的。同样，第二个自动增益控制装置(AGC)11是通过第二个处理器10和第二个接收器7之间的反馈回路连接的。当从上述传感器发射出来的超声波束不能基本上与该透镜的入射表面垂直地投射，或者如果该透镜的声阻抗产生的回音较弱或较强时，则使用该AGC电路9、11来改变信号的增益。该AGC补偿上述接收器/处理器的窄的动态范围。
在图1所示的优选实施例中，第一个处理器8与第一个显示器12和第一个报警装置或指示器13连接；而第二个处理器10则与第二个显示器14和第二个报警装置或指示器15连接。操作者可以在显示器上看到结果。如果超声波不是基本上与该透镜的入射表面垂直地投射，和上述透镜的声阻抗产生的回音在一个预先确定的、可以通过调整增益来补偿的最小阈值以下，则报警装置或指示器13、15起动，通知操作者调整该透镜在上述支承件上的位置。
虽然，对本发明作了详细的说明，但应清楚地懂得，这只是一种示例，而不应看作是对本发明的限制。本发明的精神和范围只受所附权利要求书中的权项的限制。
权利要求
1.一种测量具有一个第一个表面和一个第二个表面的透镜的特性的方法，该方法包括同时确定该透镜的中心材料厚度和背面曲率半径的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，材料厚度和背面曲率半径的确定是利用反射的超声波进行的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征为，它还包括下列步骤对一个透镜发射超声波；和在超声波从该透镜反射出来后，接收该超声波。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征为，该确定透镜中心材料厚度和背面曲率半径的步骤包括推导该透镜的中心材料厚度。
5.如权利要求3所述的方法，其特征为，该接收超声波的工序包括接收从该透镜的第一表面反射出来的第一超声波，和从该透镜的第二表面反射出来的第二超声波。
6.如权利要求5所述的方法，其特征为，该确定透镜中心材料厚度和背面曲率半径的步骤包括检测接收该反射的第一超声波和反射的第二超声波之间的第一时间间隔。
7.如权利要求6所述的方法，其特征为，该确定透镜中心材料厚度和背面曲率半径的步骤还包括将该第一个时间间隔转换成代表该透镜的中心材料厚度的距离测量值。
8.如权利要求1所述的方法，其特征为，该确定透镜中心材料厚度和背面曲率半径的步骤包括推导该透镜的背面曲率半径。
9.如权利要求8所述的方法，其特征为，该确定透镜中心材料厚度和背面曲率半径的步骤包括检测从该透镜的第一个表面反射回来的和通过藉以测量该透镜的径向高度的一个虚拟参考平面的超声波之间的时间间隔；将该时间间隔转换成代表该透镜径向高度的距离测量值；和根据该径向高度，计算背面曲率半径。
10.如权利要求9所述的方法，其特征为，该计算步骤包括利用下式确定背面曲率半径R=c28h+h2]]>式中c--弦长；R--透镜的背面曲率半径；和h--透镜的径向高度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征为，该透镜为一个具有二个半径的复曲面透镜，而该背面曲率半径为该二个半径的一个平均背面曲率半径。
12.如权利要求2所述的方法，其特征为，它还包括调整从该透镜的第一表面和第二表面中的至少一个表面反射回来的超声波的增益，以便对非垂直的入射进行校正。
13.如权利要求2所述的方法，其特征为，它还包括限制该反射的超声波只包括从该透镜的第一和第二表面反射回来的超声波的步骤。
14.一种用于测量具有第一表面和第二表面的透镜的光学特性的装置，该装置包括一个包括有一个内容器和一个外容器的容纳装置；向上突入该内容器中的一个支承件；一个配置在该支承件上的可互换的夹持装置，该夹持装置可根据该透镜的直径选择，并且支承着该凹面向下的透镜；一个用于发射超声波和接收从该透镜反射回来的超声波的固定传感器；和一个根据该反射的超声波，确定该透镜的中心材料厚度和背面曲率半径的装置。
15.如权利要求14所述的装置，其特征为，该内容器充满第一种液体，而外容器充满第二种液体。
16.如权利要求15所述的装置，其特征为，该第一种液体为一种缓冲的盐水溶液；而第二种液体为用于稳定该透镜和传感器的温度的一种传热介质。
17.如权利要求16所述的装置，其特征为，该夹持装置包括一个在其顶部表面上作出一条环形槽的夹持器，该环形槽的直径基本上与该透镜的直径相等。
18.如权利要求17所述的装置，其特征为，该夹持器具有一个从其顶部表面突出来的环形隆起部分，该隆起部分的直径基本上与该透镜的直径相等。
19.如权利要求14所述的装置，其特征为，该测量透镜光学特性的装置包括一个电路，该电路包括一个与该传感器连接，用于产生超声波的超声电压脉冲发生器；一个用于将该传感器接收的输出电压信号还原成第一波形和第二波形的分离器；一个用于接收该第一个波形，并检测从该透镜的第一表面反射回来的第一个超声波与从该透镜的第二表面反射回来的第二超声波之间的第一时间间隔的第一个接收器；一个用于将该第一时间间隔转换为代表该透镜的中心材料厚度的距离测量值的第一处理器；一个用于接收该第二波形并检测从该透镜的第一表面与一个虚拟参考平面反射回来的第一个超声波之间的第二时间间隔的第二接收器；和一个用于将该第二个时间间隔转换为代表该透镜的径向高度的距离测量值，并根据该径向高度确定该透镜的背面曲率半径的第二处理器。
20.如权利要求19所述的装置，其特征为，该第二个处理器根据下式来确定该透镜的背面曲率半径R=c28h+h2]]>式中c--弦长；R--该透镜的背面曲率半径；和h--该透镜的径向高度。
21.如权利要求20所述的装置，其特征为，该电路还包括一个用于限制该反射的超声波只包括从该透镜的第一和第二个表面反射回来的超声波的选通器。
22.如权利要求20所述的装置，其特征为，它还包括一个用于调整从该透镜的第一表面和第二表面中的至少一个表面反射回来的超声波的增益，以便对非垂直的入射进行校正的自动增益控制器。
全文摘要
本申请涉及用于同时测量一个透镜,尤其是一个复曲面的、一次性使用的opthalmic透镜的中心材料厚度和背面曲率半径的一种方法和装置。由一个传感器对该透镜发射超声波,并且该超声波从该透镜的正面和背面反射回来。根据相应的回声之间的时间间隔,确定该透镜的中心材料厚度和径向高度。该透镜的背面曲率半径,由一个圆的弦长和径向高度之间的已知的几何关系来计算。
文档编号G01B21/20GK1364231SQ01800458
公开日2002年8月14日 申请日期2001年1月11日 优先权日2000年1月14日
发明者D·F·罗斯, J·A·埃贝尔, Y·路易斯, J·龙戈, B·里斯 申请人:庄臣及庄臣视力保护公司