郭　杭，付東翔，項(xiàng)華中

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

眼鏡是矯正眼球屈光不正，保護(hù)眼睛健康和提高視覺(jué)功能的一種特殊醫(yī)療儀器,漸變焦眼鏡只用一副眼鏡做到了同時(shí)矯正近視眼和遠(yuǎn)視眼，給佩戴者舒適的佩戴體驗(yàn),隨著漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片及自由曲面鏡片加工技術(shù)的快速發(fā)展，如何檢測(cè)其屈光度和散光就顯得尤為重要[1]?，F(xiàn)有的漸變焦眼睛的檢測(cè)設(shè)備主要是焦度計(jì)和以色列偉視力(Visionix) 公司所研制的 VM2000。一個(gè)同時(shí)滿足便捷、易操作、高精度以及成本低的測(cè)量系統(tǒng)是本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1　測(cè)量原理

1.1　哈特曼夏克傳感器原理

Hartmann-Shack是一種測(cè)量波前像差的方法。其原理首先由Hartmann提出， 之后經(jīng)Shack改進(jìn)而成[2]。廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)元件、激光光束質(zhì)量診斷和大氣擾動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域[3]。

哈特曼夏克傳感器由一個(gè)透鏡陣列和CCD組成，通過(guò)微透鏡陣列將一個(gè)完整的波前劃分成若干個(gè)小區(qū)域,通過(guò)CCD獲得穿過(guò)透鏡陣列后波面焦點(diǎn)的變化圖像，然后把每一個(gè)微透鏡看作是一個(gè)微元并計(jì)算每一微元內(nèi)波面的平均斜率，最后匯總所有的計(jì)算結(jié)果即可獲得完整的波前信息[4-6]。當(dāng)理想平面波進(jìn)入透鏡陣列后，會(huì)在透鏡陣列的焦平形成一系列的點(diǎn)，此時(shí)形成的參考波前如圖1所示；而畸變的波形進(jìn)入透鏡陣列后，焦點(diǎn)質(zhì)心相對(duì)于理想平面波經(jīng)過(guò)透鏡陣列形成的焦點(diǎn)質(zhì)心會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏移量，此時(shí)形成的畸變波前如圖2所示。

圖1　參考波前

圖2　畸變波前

通過(guò)CCD采集圖像，并用該圖像進(jìn)行圖像處理，即可獲得每個(gè)焦點(diǎn)質(zhì)心的偏移量，再根據(jù)式(1)和式(2)即可獲得完整的波前信息[7]。

(1)

(2)

其中，Wi(x,y)表示第i個(gè)子孔徑上的被測(cè)波前，Δx表示焦點(diǎn)質(zhì)心在x軸上的偏移量、Δy表示在y軸上的偏移量，f為微透鏡陣列的焦距。

1.2　光路原理

圖3　鏡片測(cè)量光路原理圖

在本實(shí)驗(yàn)光路中，散光度數(shù)C及其軸位α的計(jì)算公式為[12-15]

(3)

(4)

光焦度?為

(5)

2　測(cè)量系統(tǒng)組成

測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖4所示，系統(tǒng)包括平行光管，待測(cè)透鏡、待測(cè)透鏡、HSS和計(jì)算機(jī)。

圖4　測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

平行光管射出的平行光穿過(guò)待測(cè)鏡片，發(fā)生偏折后進(jìn)入單透鏡，最后射入與計(jì)算機(jī)相連接的哈特曼夏克傳感器，計(jì)算機(jī)對(duì)CCD采集到的圖像進(jìn)行圖像處理之后將得到波前信息，然后使用QT編寫(xiě)的軟件采集波前信息，計(jì)算和處理得到需要的光焦度和散光信息并將其顯示在界面上。

圖5　測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

3　測(cè)量數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)充分利用了哈特曼夏克傳感器微透鏡陣列的127個(gè)子透鏡，整個(gè)測(cè)量過(guò)程只需一次即可測(cè)出整個(gè)鏡片127個(gè)點(diǎn)的光焦度和散光,效率明顯優(yōu)于其它測(cè)量方法。為便于測(cè)量，將哈特曼夏克傳感器微透鏡陣列建立坐標(biāo)系如圖6所示。

本系統(tǒng)采用QT編寫(xiě)軟件采集HSS中的Zernike系數(shù)，開(kāi)發(fā)流程如圖7所示。

圖6　哈特曼夏克傳感器透鏡陣列坐標(biāo)圖

首先對(duì)光路進(jìn)行校準(zhǔn)，避免不必要的誤差影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，然后放入待測(cè)鏡片并對(duì)軟件進(jìn)行初始化操作，打開(kāi)平行光管，隨后HSS采集到的信息將會(huì)顯示在CCD[16]上,用圖像處理軟件對(duì)CCD所采集到的圖像進(jìn)行抓取分析，生成包含Zernike系數(shù)的文檔。通過(guò)編寫(xiě)的軟件采集模塊采集文檔中每個(gè)子透鏡對(duì)應(yīng)的C3與C5，并將其顯示在界面上，軟件通過(guò)文章前面提及的公式進(jìn)行計(jì)算后將對(duì)應(yīng)點(diǎn)的散光和光焦度顯示在軟件界面上，并生成文檔。采集界面如圖8所示。

圖7　軟件開(kāi)發(fā)流程圖

圖8　采集界面

對(duì)鏡片L按上述方法進(jìn)行檢測(cè)后，最終得到沿水平線上的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　沿水平線的測(cè)量數(shù)據(jù)

將經(jīng)本系統(tǒng)測(cè)量到的數(shù)據(jù)與中國(guó)萬(wàn)新光學(xué)集團(tuán)所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的精確性和可靠性。

4　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)從實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)哈特曼夏克傳感器原理，介紹了一個(gè)完整的漸變焦眼睛測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，。依據(jù)光學(xué)原理以及平行光管的光線口徑大小與鏡片口徑的大小較為接近這一特點(diǎn)，快速測(cè)量出漸變焦眼睛的光焦度和散光，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)便實(shí)用的測(cè)量系統(tǒng)，使?jié)u變焦眼睛的檢測(cè)變的更方便。根據(jù)需求，用QT編寫(xiě)了采集軟件，使獲取數(shù)據(jù)變的更快捷，為以后的工作提供了更好地支持。

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