一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量系统及方法与流程

本发明属于镜片焦度测量技术领域，具体涉及一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量系统及方法，采用该方法能够测量渐进多焦点镜片任意区域光角度。

背景技术：

随着信息社会的高速发展，人类80％的信息是通过眼睛获得的，好视力对人至关重要。据统计，50％的人需要视力矫正，目前最常用的辅助视力矫正的手段就是配戴眼镜。据调查，随着近视和老花等问题日趋严峻，对于青少年和中老年人群来说，特别需要一副眼镜既能满足远近用实际使用需求，同时在镜片配戴过程中，又不会有视觉影响，影响配戴效果。因此，多焦点渐进镜片就出现了。1956年依视路公司推出了第一代渐进多焦点镜片(progressiveadditionlenses，简称pal)，其光焦度从镜片的上部到下部逐渐增加。由于渐进多焦点的镜片的焦距可以实现逐渐改变的，这就为解决老年人的近视和散光问题，以及减缓青少年的近视问题提供了非常有效的解决方案。从传统的近视、远视常规镜片，到现在的双光镜片、多焦点镜片、渐进多焦点镜片、非球面镜片和防控镜片等自由曲面镜片，可谓日新月异。

在制造和验配过程中，焦度计是对镜片角度测量的重要工具。焦度计也称屈光力计及镜片测度仪，主要用于眼镜片光学参数的测量，是视光学的重要光学测试仪器。焦度计主要测量镜片后顶点屈光力和光学中心，以及柱面镜片屈光力及轴位方向的测量和镜片棱镜及其基底方向的测量。镜片质量和配镜的质量直接影响配镜者的视力健康，焦度计是镜片生产和配镜检查的必备国家强制计量检测仪器，是镜片生产和消费者配镜的质量保证，传统的焦度计设计和使用均是针对单焦点镜片的，测量时，测量光路垂直入射至镜片顶角处。采用传统的角度计测量多焦点或是渐进焦镜片时，往往是通过人手动寻找待测点，或是对镜片生产过程中已经打标好的区域测量。显然，该方案已经无法满足多焦点渐进镜片的测量。与此同时，从人眼佩戴角度出发，由于眼镜可以旋转，根据光可逆的特点，实际人眼在观测外界物体时候呈现多视轴的现象，而传统焦度计测量光路垂直镜片顶焦点入射，视轴唯一且并不符合人眼实际佩戴的情况，所测结果是有一定误差的。在实际配眼镜的过程中是通过配戴者的自我感觉是否舒适来加减镜片度数来抑制该测量误差的。上述判断依据完全是主观性的，因人而异。因而，随着镜片设计和加工技术的不断进步和完善，镜片的测量技术也在不断地发展。

渐进多焦点镜片的远光区与近用光区之间，以屈光度循序渐进的变化方式，从远用度数逐步到近用度数将远用光区和近用光区有机地连接在一起，因此在一只镜片上可同时拥有看远距、中等距及近距所需的不同光度。同时，人眼实际佩戴眼镜观察物体时呈现多光轴现象。目前商业化焦度计采用的单焦点和固定视轴的测量方案，已经无法满足渐进多焦点镜片的测试和验光需求。因此，研发一种既能测量渐进多焦点镜片的焦度，又能测量人眼实际佩戴效果下镜片焦度的方法显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是根据现有技术存在的缺陷，提出一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量系统及方法，采用该方法既适用于普通镜片又能测量多视轴渐进多焦点镜片在不同区域的光学参数。

本发明的提供一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量系统，包括光源、准直透镜、镜座和光接收器，所述镜座主要由xy移动台和摆角台构成，所述xy移动台包括工作台以及设置在工作台侧边上的x向驱动机构和y向驱动机构，在所述工作台上设置摆角台，所述摆角台包括摆角台座和设置在摆角台座中并可沿摆角台座壁上下移动的旋转轴，所述旋转轴连接用于安装待测镜片的镜片支座。

上述技术方案中，优选地，所述x向驱动机构包括x方向步进电机和沿x方向延伸的第一直线滑轨，所述第一直线滑轨与工作台的一横向侧边相配合，所述工作台通过第一驱动件与x方向步进电机相连；所述y向驱动机构包括y方向步进电机和沿y方向延伸的第二直线滑轨，所述第二直线滑轨与工作台的一纵向侧边相配合，所述工作台通过第二驱动件与y方向步进电机相连。

上述结构中，x、y方向步进电机可在水平方向上驱动方形工作台运动，以带动设置在方形工作台上的摆角台水平移动。

优选地，所述x方向步进电机通过控制线与设置在第一直线滑轨一端的x方向控制按钮连接，所述y方向步进电机通过控制线与设置在第二直线滑轨一端的y方向控制按钮连接。

优选地，所述摆角台座由左右对称布置的两立柱组成，两立柱之间连接一根旋转轴。

优选地，所述立柱的内侧具有竖向延伸的长条形轴孔，所述旋转轴的两端分别插入到长条形轴孔中，中部装有镜片支座，所述旋转轴通过驱动件与z方向步进电机相连。

上述结构中，z方向步进电机驱动旋转轴在竖直方向上运动，以带动镜片支座在竖直方向上微角度摆动。

这样可以通过调节x、y、r三个变量，使镜片实现上下左右四个方向移动和倾斜角变化，从而改变光射入镜片的位置。

优选地，所述镜片支座为一扁圆柱体，所述扁圆柱体的上部设有用于放置待测镜片的凹腔，在所述凹腔的上方设有用于夹持待测镜片的固定支架；所述凹腔的底部具有上下贯通的第一通孔，在所述工作台上对应第一通孔处具有上下贯通的第二通孔，所述第一通孔、第二通孔的尺寸略小于待测镜片的尺寸，在所述工作台的下方设置有光接收器。

优选地，所述光接收器为cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)。

本发明还提供了一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量方法，包括以下步骤：

第一步、建立多视轴渐进多焦点镜片不同区域测量系统，该系统由上至下依次包括光源、准直透镜、镜座和光接收器，所述镜座主要由xy移动台和摆角台构成，所述xy移动台包括工作台以及设置在工作台侧边上的x向驱动机构和y向驱动机构，在所述工作台上设置摆角台，所述摆角台包括摆角台座和设置在摆角台座中并可沿摆角台座壁上下移动的旋转轴，所述旋转轴连接用于安装待测镜片的镜片支座；

第二步、将待测镜片凹面朝下放置于镜片支座上，光源发出的光束经过准直透镜成为平行光，平行光线入射至待测镜片，平行光线经待测镜片后发生折射并在光接收器上形成光斑，通过公式计算分别测得镜片待测点的光焦度；

第三步、移动待测镜片，在不需要移动待测镜片位置的情况下，改变入射至待测镜片的光路位置，使光路通过待测镜片不同位置时投射在光接收器上的光斑大小不同，根据光斑的大小计算出镜片不同位置的光焦度；

第四步、测量试验过程中，根据下式计算待测镜片(凸透镜)的实际焦距f，

再根据下式计算待测镜片的焦度d，

d＝1/f

然后根据下式计算待测镜片的度数δd，

其中，l为光接收器到待测镜片的距离，h1为入射光中心到主轴的距离，h2为理论上入射光经过待测镜片后在光接收器上的投影到主轴的距离，h22为实际入射光经过待测镜片后在光接收器上的投影到主轴的距离，且δh2＝h22-h2，l＝lh1；

第五步、镜片实际佩戴过程中，当平行光透过镜片发生折射后为出射光，在光接收器上形成点，当镜片发生一定角度的偏转，入射光透过镜片发生折射后为出射光，根据下式计算镜片(凹透镜)的焦距f，

然后，根据下式计算镜片的焦度d，

其中，h1为入射光中心到主轴的距离，h2为入射光经过镜片后在光接收器上的投影到主轴的距离，l为光接收器到镜片的距离，θ为镜片的旋转角度。

上述技术方案，第四步中，从准直透镜射出的平行光在无待测镜片放置时直接垂直入射至光接收器，可在光接收器上形成半径为r的大光斑；当待测镜片放置到镜座上时，从准直透镜射出的平行光经过待测镜片折射在光接收器上形成半径为r的小光斑,大光斑与小光斑之间存在一个半径差△r。通过计算△r的值可以计算出待测镜片的焦度，具体地，无镜片放置时，光路直接射入，不发生直射，此时r＝h1；当放入镜片时，入射光发生折射，此时r＝h2，入射光透过的镜片这一点焦距可以采用公式计算，△r＝h1-h2。由于焦度d＝1/f，所以可以计算出理论焦度d＝1/f0。

优选地，通过准直透镜的平行光线射到光接收器上形成一个大光斑，平行光线射入待测镜片发生折射，折射后实际光线恰好照射在待测镜片的光轴上，理论光线透过待测镜片也恰好与光轴交于一点，且在光接收器上也会形成一个小光斑，通过图像处理能够得到实际上入射光经过待测镜片后在光接收器上的投影到主轴的距离h22，入射光中心到主轴的距离h1，理论上入射光经过待测镜片后在光接收器上的投影到主轴的距离h2，光接收器到待测镜片的距离l，待测镜片的理论焦距f0，待测镜片的实际焦距f，通过下式计算待测镜片的理论焦距f0，

另外，由于焦度d＝1/f，若l＝10mm,h1＝4mm，光接收器(cmos)的每个像素的物理尺寸为4μm×4μm，则待测镜片的实际焦距为4μm×4μm，并假设误差为一个像素(单个方向，x或y方向)，则δd＝0.01d，1d＝100度，即0.01d＝1度。

综上可知，本发明提供一种采用上述方法测量多视轴渐进多焦点镜片不同区域光学参数的焦度计,可实际测量人眼在配戴镜片过程中眼镜自身实际光学参数，例如光焦度。由于渐进多焦点镜片需要测量不同位置的焦度，如果手动调整镜片位置不能保证所测点均匀分布，本发明通过在镜座的下部安装三台步进电机，通过步进电机移动工作台和摆角台来改变光线摄入镜片的位置，这就可测量均匀分布的镜片上不同点的焦度，从而保证渐进多焦点镜片焦度变化合理。

本发明具有以下两个特点：一是可对镜片上任意点的光角度进行测量，二是可测量不同视轴情况下镜片的光角度。

本发明的优点是将镜片固定在由一个xy移动台和一个摆角台组成的镜座上，通过控制移动台和偏摆角度可以实现对镜片进行扫描式焦度测量，可测量镜片上任意一点不同视轴下的焦度，有助于解决目前焦度计测量中的缺陷与不足。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1为本发明中多视轴渐进多焦点镜片焦度测量系统示意图。

图2为本发明中在cmos上形成光斑的示意图。

图3为本发明中xy移动台和摆角台的俯视图。

图4为本发明中放置镜片后xy移动台和摆角台的俯视图。

图5为本发明中放置镜片后xy移动台和摆角台的侧视图。

图6为本发明中焦点在光轴上的测量原理图。

图7为本发明中镜片实际佩戴过程中的测量原理图。

图中：1.光源，2.准直透镜，3.待测镜片，4.镜座，5.cmos，6.方形工作台，7.立柱，8.x向驱动机构，9.y向驱动机构，10.旋转轴，11.y方向控制按钮，12.x方向控制按钮，13.光束，14.第一平行光线，15.第二平行光线，16.折射光线，17.大光斑，18.小光斑，19.入射光，20.理论折射光，21.实际折射光，22.平行光，23.第一折射光线，24.第一折射光线反向延长线，25.倾斜入射光，26.第二折射光线，27.第二折射光线反向延长线。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量系统，其结构如图1、图3、图4和图5所示，依次包括光源1、准直透镜2、镜座4和cmos5，镜座4主要由从下至上依次布置的固定底座、xy移动台和摆角台构成，在固定底座上设置有cmos5，xy移动台包括方形工作台6以及设置在方形工作台6侧边上的x向驱动机构8和y向驱动机构9，在方形工作台6上设置摆角台，摆角台包括摆角台座和设置在摆角台座中并可沿摆角台座壁上下移动的旋转轴10，旋转轴10连接用于安装待测镜片3的镜片支座。

其中，x向驱动机构8包括x方向步进电机和沿x方向延伸的第一直线滑轨，第一直线滑轨的内侧制有第一滑槽，第一滑槽与方形工作台6的一横向侧边相配合，方形工作台6通过第一驱动件与x方向步进电机相连，x方向步进电机通过控制线与设置在第一直线滑轨一端的x方向控制按钮12连接。y向驱动机构9包括y方向步进电机和沿y方向延伸的第二直线滑轨，第二直线滑轨的内侧制有第二滑槽，第二滑槽与方形工作台6的一纵向侧边相配合，方形工作台6通过第二驱动件与y方向步进电机相连，y方向步进电机通过控制线与设置在第二直线滑轨一端的y方向控制按钮11连接。

摆角台座由左右对称布置的两立柱7组成，立柱7竖直设置在方形工作台6上，两立柱7之间连接一根旋转轴10。具体地，立柱7的内侧具有竖向延伸的长条形轴孔，旋转轴10的两端分别插入到长条形轴孔中，旋转轴10的中部装有镜片支座，旋转轴10通过驱动件与z方向步进电机相连。镜片支座为一扁圆柱体，扁圆柱体的上部设有用于放置待测镜片的凹腔，在凹腔的上方设有用于夹持待测镜片3的固定支架，凹腔的底部具有上下贯通的第一通孔，在所方形工作台6上对应第一通孔处具有上下贯通的第二通孔，第一通孔、第二通孔的尺寸略小于待测镜片3的尺寸，在方形工作台6的下方设置有cmos5。

本实施例提供了一种多视轴渐进多焦点镜片焦度测量方法，包括以下步骤：

第一步、建立多视轴渐进多焦点镜片不同区域测量系统，如图1所示，采用放大镜逆光路原理进行焦度测量，由上至下依次包括光源1、准直透镜(放大镜)2、待测镜片3、镜座4和cmos5，镜座4主要由xy移动台和摆角台构成，xy移动台包括与步进电机相连的方形工作台6以及设置在方形工作台6侧边上的x向驱动机构8和y向驱动机构9，在方形工作台6上设置摆角台，摆角台包括两根立柱7和设置在立柱7上并可沿立柱7上下移动的两根旋转轴10，旋转轴10连接用于安装待测镜片3的镜片支座。

第二步、将待测镜片3凹面朝下放置于镜片支座上，光源1发出的光束13经过准直透镜(放大镜)2的聚光作用，转化为平行光，在没有待测镜片3放置时，第一平行光线14转变为第二平行光线15，并直接在cmos5上形成大光斑17；当有待测镜片3放置在镜座4上时，第一平行光线14垂直射入待测镜片3，产生折射光线16，并且在cmos5上形成小光斑18(见图2)。当镜片3发生旋转时，折射光线16的折射方向也发生变化，落在cmos5上面的小光斑18的位置也发生了改变。

第三步、通过两台xy步进电机调整镜座移动台，以移动待测镜片3，改变第一平行光线14射入待测镜片3的位置，从而产生较小的测量位置变化，进而测量多焦点镜片的角度。

同时，通过摆角台改变待测镜片3与镜座4的夹角，从而找到符合人眼与眼镜在使用过程中要求的眼镜与镜座4的夹角。

当小光斑18的圆心偏离cmos5上的中心位置时，说明待测镜片3的焦点偏离主轴(主轴是对镜片而言，镜片正中心的轴即为主轴)，此时不需要重新调整待测镜片3位置，并可根据光斑位置调整与xy方向步进电机相连的xy移动台，从而改变光线射入待测镜片3的位置。

第四步、当待测镜片3倾斜放置在镜片支座上时，且其凸面向上，采用固定支架压住待测镜片3，此时光源1发出的光束13经过准直透镜2，转化为第一平行光线14，射入待测镜片3后到达cmos5上，形成小光斑18。当小光斑18的圆心恰好在屏幕中心点位置时，说明待测镜片3的焦点恰好在光轴(光轴是表示光束正中的轴，假如将光束比作圆柱，光轴就是圆柱中心的那个轴)上，通过公式计算得待测镜片3的理论焦距为待测镜片3的实际焦距为(δh2＝h22-h2)。由于焦度d＝1/f，l为cmos5到待测镜片3的距离，h1为入射光中心到主轴的距离，h2为理论上入射光经过待测镜片3后在cmos5上的投影到主轴的距离，h22为实际入射光经过待测镜片3后在cmos5上的投影到主轴的距离。l由前面的公式推导，即将f和f0的公式代入其中，得出l＝lh1。若l＝10mm,h1＝4mm，cmos5的每个像素的物理尺寸为4μm×4μm，则待测镜片的实际焦距为4μm×4μm，并假设误差为一个像素(单个方向，x或y方向)则δd＝0.01d，1d＝100度，即0.01d＝1度。

对于渐变焦镜片，测量时通过调整与步进电机相连的xy移动台，可以通过不改变待测镜片3位置，使光线从待测镜片3的不同位置透射到cmos5上，通过观察屏幕上光斑边缘到屏幕圆心的距离可以找到镜片最高度数所在位置，而不需要手动调整镜片位置即可找出镜片最高度数的位置。

在测量眼镜镜片的度数时，焦点在光轴上的测量原理如图6所示，变量包括：入射光19其中心到主轴的距离为h1、理论折射光20经过透镜后在cmos5上的投影到主轴的距离为h2、实际折射光21经过透镜后在cmos5上的投影到主轴的距离为h22、cmos5到透镜的距离为l、透镜的理论/设计焦距为f0，且实际折射光21的焦点即可通过公式计算得所测镜片的度数。

先是由已知量入射光19中心到主轴的距离h1、理论折射光20经过透镜后在cmos5上的投影到主轴的距离h2、实际折射光21经过透镜后在cmos5上的投影到主轴的距离h22和cmos5到透镜的距离l，求得透镜的理论/设计焦距f0、实际折射光21的焦点f，焦度为f的倒数，镜片的度数是焦度的100倍。

接下来进行误差分析：若l＝10mm,h1＝4mm，cmos5的每个像素的物理尺寸为4μm×4μm，并假设误差为一个像素(单个方向，x或y方向)则δd＝0.01d，1d＝100度，即0.01d＝1度。

第五步、如图7所示，镜片实际佩戴过程中镜片为凹透镜且镜片会发生一定角度的偏转，当平行光22入射镜片后，产生第一折射光线23，光斑落在cmos5上形成点c，第一折射光线23的反向延长线24与横轴交于点o。第一折射光线23是垂直射入旋转后的凹透镜的，倾斜入射光25(倾斜入射光25是平行光22基于第一折射光线23的对称线)透过镜片发生折射后产生第二折射光线26，第二折射光线反向延长线27与过0点平行于凹透镜的直线相较于一点f。由于凹透镜与光轴交于e点，所以e点到f点的距离ef就是焦距f。

理论折射光20经过透镜后在cmos5上的投影到主轴的距离h2，该值可以根据图像处理获得。先根据国标规定的焦度计的焦度测量范围，假设焦距f已知，求得h2的范围，进而选择合适的cmos5。已知入射光19中心到主轴的距离h1，cmos5到透镜的距离l，凹透镜的旋转角度θ，由δoab～δocd得到旋转角度θ的范围在12°到15°之间。将上述值分别代入公式并作差解得h2的范围，然后进行cmos5的合理选型。

实际上，理论折射光20经过透镜后在cmos5上的投影到主轴的距离h2是已知的，而焦距f未知，根据三角形相似的原理可以计算得出透镜的焦距焦度

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。