張吉焱 洪寶玉 高明亮
(中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100013)
角膜曲率計(jì)是用來測量人眼角膜中心區(qū)域曲率半徑和軸位的儀器,廣泛應(yīng)用于接觸鏡(俗稱隱形眼鏡)的驗(yàn)配過程中,以便為接觸鏡的選擇提供參考數(shù)據(jù)。近年來,角膜曲率計(jì)在眼科手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛,如對白內(nèi)障患者施行人工晶狀體手術(shù)、角膜激光治療近視手術(shù)等,因此,角膜曲率計(jì)給出的測量結(jié)果準(zhǔn)確與否直接影響到患者的視力健康,質(zhì)量非常重要。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC172/SC7“眼科光學(xué)與儀器”技術(shù)委員會(huì)于1997年正式頒布了角膜曲率計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10343 Ophthalmic instruments-Ophthalmometers,并于2009年進(jìn)行了修訂,標(biāo)準(zhǔn)中推薦性的給出了角膜曲率計(jì)的計(jì)量要求和測試方法。在國內(nèi),中國計(jì)量科學(xué)研究院于2002年開始角膜曲率計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)研究工作,研制出專用于檢定和校準(zhǔn)角膜曲率計(jì)用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。2005年負(fù)責(zé)起草制定JJG 1011《角膜曲率計(jì)》檢定規(guī)程,并于2006年正式頒布執(zhí)行。2007年建立“角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置”,在全國范圍內(nèi)初步解決了角膜曲率計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)和檢定。2011年中國計(jì)量科學(xué)研究院又承擔(dān)了全國醫(yī)學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì)下達(dá)的《角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器》檢定規(guī)程的制定工作,并于2012年底完成了規(guī)程的審定,形成報(bào)批稿??梢钥闯觯悄で视?jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器在JJG 1011《角膜曲率計(jì)》檢定規(guī)程和“角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置”中都占有重要的地位,是保證角膜曲率計(jì)給出的測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠的源頭。
本文將在介紹角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的基礎(chǔ)上,針對樣板檢驗(yàn)法對角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器曲率半徑的測量、計(jì)算和不確定度評定進(jìn)行分析與討論。
JJG 1011—2006《角膜曲率計(jì)》檢定規(guī)程規(guī)定,應(yīng)使用角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器對角膜曲率計(jì)的各項(xiàng)性能進(jìn)行計(jì)量檢定。
角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器由曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器和測量支架兩部分組成。曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器由光學(xué)玻璃材料制成,包括凸球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器和凹球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器2種,共計(jì)6個(gè)。有效光學(xué)區(qū)域直徑至少應(yīng)滿足6mm,光學(xué)零件表面不得有霉斑、劃痕、麻點(diǎn)、氣泡、磨損和破損等缺陷。凸球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器的前表面為凸球面,凹球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器的前表面為凹球面,兩者均由3種半徑規(guī)格組成,曲率半徑標(biāo)稱值分別為6.668mm、7.943mm和9.320mm。曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器主要用于角膜曲率計(jì)的曲率半徑示值誤差和曲率半徑測量重復(fù)性的計(jì)量檢定。凸球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器還可用于角膜曲率計(jì)的角膜屈光度示值誤差的計(jì)量檢定。若取人眼角膜(含淚液層)折射率為1.3375,對應(yīng)角膜屈光度標(biāo)稱值分別為50.61m-1、42.49m-1和36.21m-1。
曲率半徑是角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的主要技術(shù)參數(shù),在《角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器》檢定規(guī)程報(bào)批稿中要求角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器曲率半徑實(shí)際值與標(biāo)稱值之差不得超過±0.005mm,曲率半徑實(shí)際值的擴(kuò)展不確定度為0.002mm(k=2)。
角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器采用樣板檢驗(yàn)法(接觸式測量法),利用角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)參考球面,通過對樣板扣光圈,在垂直位置觀察所形成的干涉條紋(光圈),根據(jù)干涉條紋(光圈)的數(shù)目、形狀、變化和顏色來確定被檢角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器相對于標(biāo)準(zhǔn)參考球面的曲率半徑偏差,然后通過公式(1)計(jì)算得到該角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的曲率半徑實(shí)際值。樣板檢驗(yàn)法具體如圖1所示。
圖1 樣板檢驗(yàn)示意圖
(1)
式中,R為被檢角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器曲率半徑實(shí)際值,單位:mm;R0為標(biāo)準(zhǔn)參考球面曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值,單位:mm;Nmax為被檢角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器相對于標(biāo)準(zhǔn)參考球面曲率半徑偏差所對應(yīng)的最大光圈數(shù);a為有效檢測區(qū)域所對應(yīng)弦長的一半,單位:mm;l為面形檢測時(shí)所使用觀察光的波長,在此取l=0.0005461mm。
凹球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器的前表面用凸標(biāo)準(zhǔn)參考球面進(jìn)行檢測,對應(yīng)式(1)中取“+”號;凸球面曲率半徑用標(biāo)準(zhǔn)器的前表面用凹標(biāo)準(zhǔn)參考球面進(jìn)行檢測,對應(yīng)式(1)中取“-”號。
根據(jù)公式(1)可知曲率半徑的測量不確定度主要來自以下幾個(gè)方面:
3.1.1 曲率半徑偏差Nmax測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
利用角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)參考球面,采用樣板檢驗(yàn)法,測量被檢角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器相對于標(biāo)準(zhǔn)參考球面的曲率半徑偏差所對應(yīng)的光圈數(shù),因此該項(xiàng)不確定度主要來自于光圈的判讀誤差。
3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)參考球面曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值R0引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
該項(xiàng)不確定度主要來自標(biāo)準(zhǔn)參考球面的曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)際檢定中,使用角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)參考球面,所以該項(xiàng)不確定度可以從上一級證書中得到。
3.1.3 有效檢測區(qū)域所對應(yīng)弦長a引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
該項(xiàng)不確定度主要由對樣板扣光圈時(shí)有效檢測區(qū)域弦長的測量不準(zhǔn)而引入,可以根據(jù)實(shí)際使用的儀器誤差計(jì)算得到。
根據(jù)公式(1),利用不確定度傳播率公式,可得不確定度傳播系數(shù)如下:
(2)
3.2.1 曲率半徑偏差測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1
(3)
角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的有效檢測區(qū)域一般不超過14mm,通過對樣板扣光圈的方法測量曲率半徑偏差所對應(yīng)的光圈數(shù),Nmax一般都在2~3個(gè)光圈以內(nèi)。有經(jīng)驗(yàn)的操作者對光圈的判讀誤差可控制在±0.5個(gè)光圈,按均勻分布分析,則有
將各項(xiàng)實(shí)測結(jié)果帶入式(3),即可得到被檢角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器曲率半徑偏差測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)參考球面曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2
(4)
使用角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)參考球面對角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定,標(biāo)準(zhǔn)參考球面曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度可從工作基準(zhǔn)裝置的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)證書中得到。已知角膜曲率計(jì)工作基準(zhǔn)裝置的曲率半徑擴(kuò)展不確定度U=0.001mm(k=2),則曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(R0) =0.50μm。
將測量結(jié)果帶入式(4),即可得到標(biāo)準(zhǔn)參考球面曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
3.2.3 有效檢測區(qū)域所對應(yīng)弦長引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3
(5)
有效檢測區(qū)域所對應(yīng)的弦長采用直尺進(jìn)行測量,測量誤差可以控制在±0.5mm以內(nèi),因此由于弦長測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
將測量結(jié)果帶入式(5),即可得到有效檢測區(qū)域弦長引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
表1不確定度一覽表
圖2 不確定度分量比較
圖中,系列1對應(yīng)不確定度分量u1,系列2對應(yīng)不確定度分量u2,系列3對應(yīng)不確定度分量u3,橫坐標(biāo)1~6分別對應(yīng)6.668凹、6.668凸、7.943凹.7.943凸、9.320凹和9.320凸6種標(biāo)準(zhǔn)器。
分析結(jié)果表明,由參考球面標(biāo)準(zhǔn)值引入的不確定度分量占主要地位,其次是角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器本身的面形偏差引入的不確定度分量,弦長測量不準(zhǔn)引入的不確定度分量相對較小。
角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器是用來校準(zhǔn)和檢定角膜曲率計(jì)的重要計(jì)量器具,本文通過對角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的介紹以及樣板檢驗(yàn)法測量曲率半徑的不確定度評定與分析,指出影響曲率半徑測量不確定度的主要分量,以便指導(dǎo)實(shí)際測量和加工中對各項(xiàng)不確定度來源進(jìn)行有效的平衡和控制。同時(shí),也為即將頒布的《角膜曲率計(jì)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器》檢定規(guī)程的實(shí)行,檢定人員進(jìn)行相應(yīng)項(xiàng)目的不確定度評定奠定基礎(chǔ)。
[1] 張吉焱,王莉茹.JJG 1011角膜曲率計(jì)檢定規(guī)程[S].中國計(jì)量出版社,2006
[2] ISO 10343 Ophthalmic optics and optical instruments-Ophthalmometers[S].2009
[3] 張吉焱.角膜曲率計(jì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的研制[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2006(1)
[4] 陳燕,張吉焱,劉文麗,等.介紹國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26397-2011《眼科光學(xué) 術(shù)語》[J].計(jì)量技術(shù),2012(9)
[5] GB/T 2831 光學(xué)零件的面形偏差[S].2009
[6] ISO 13666 Ophthalmic optics-Spectacle lenses-Vocabulary[S].1998