基于哈特曼板检测眼镜屈光度的改进方法

张学典，王昱霄,常 敏

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于哈特曼板检测眼镜屈光度的改进方法

张学典，王昱霄,常 敏

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对传统的哈特曼测量存在的技术问题,提出了改进型的哈特曼检测方法。设计了实验的总体方案，通过采集CCD图像，并对图像进行后续处理，从而得到不同装置下镜片的屈光度分布图。通过与传统的哈特曼检测方法的比较，测试结果表明，改进型的哈特曼检测方法原理简单、方便可行。

哈特曼法；屈光度；渐进多焦点镜片；CCD

眼镜是矫正眼球屈光不正，保护眼睛健康和提高视觉功能的一种特殊的医疗仪器。随着渐进多焦点镜片及自由曲面镜片加工技术的快速发展，如何检测其屈光度就显得尤为重要[1-4]。目前，关于渐进多焦点镜片的检测技术较多，主要有：单点测量法[5-6]、莫尔偏折法[7-8]、朗奇光栅法[9-10]和哈特曼法[11]。单点测量法能精确给出各点信息,但它只能实时测出镜片的一个小区域中心的屈光度分布信息，不能给出整个面的屈光度分布信息，对于检测渐进多焦点镜片具有局限性。莫尔偏折法和朗奇光栅法都实现了对整个表面的测量，但图像处理程序复杂，局限了测量的准确性。而传统的哈特曼测量方法虽然可以实现对整个表面的测量，但测量中对光阑要求较高，且准直透镜的口径必须与被测镜片的口径相当，这使得光学系统的设计和制造复杂，光学系统及其仪器的尺寸庞大且重量大。

针对上述的问题，文中提出了一种改进型的哈特曼检测镜片方法，在传统的哈特曼检测原理基础上，对其检测方法进行改进，通过对测量得到的图像与传统测量的图像进行对比分析研究，从而得出改进后的哈特曼检测法的优点。

1 测量原理

1.1 传统哈特曼法测量原理

本文所选用的未改进光学系统是基于传统哈特曼板的测量原理，图1为哈特曼法测量镜片的装置图。激光光源通过空间滤波器进入准直镜，光束经过准直镜后形成平行光，通过一个矩形阵列的哈特曼板后，由于被测镜片屈光度的不同，光线会发生不同程度的偏折，在接收屏上形成相对应的点阵图。通过运用几何关系可计算出镜片上的相应的屈光度。光源和CCD的选取对后期处理非常重要[12]。

图1 光学系统原理图

传统的哈特曼检测法是采用光阑对光学元件整个口径进行取样，通过相关的数学运算与数字图像处理，获取光学元件全口径范围内的光学特性。

(1)光源的选取。合适的光源选择降低后续图像处理算法的复杂性。考虑CCD的光敏特性、哈特曼法检测系统的特点以及各光源的特性,选用波长λ=589 nm，光出口光斑直径d≈6 mm，输出功率为80 mW的半导体激光器作为实验中的光源；

(2)CCD的选取。根据系统的测量要求来选择CCD器件。文中选用德国JAI公司的Elite系列EL-2800的高性能面阵相机，该系列相机具有2/3″逐行扫描CCD，最大的分辨率是50 fps，4.54 μm像元尺寸，4：3纵横比输出，且灵敏度高、噪声低、速度高、接口系列丰富、板上处理功能丰富，适用于工业检测，满足实验要求。

1.2 屈光度的计算

透镜的屈光力为该透镜焦距的倒数，其单位为屈光度(D)，1 D通常等价为100°。镜片单面各点的屈光度计算公式如下[13]

(1)

其中，n为镜片折射率；R为镜面各点的曲率半径，单位mm。

2 系统结构图及设计方案

2.1 系统结构图

该系统主要由光学系统，CCD相机，计算机组成。结构如图2所示。

图2 系统结构图

2.2 实验设计方案

实验设计方案是基于传统的哈特曼检测屈光度的方法，在其测量原理上加以改进，具体改进方法如下：采用一个很小的平行平板圆盘，代替传统方法中的空间滤波器、准直透镜和光阑，首先将该圆盘倾斜放置，与光轴成45°的夹角，并且使平行平板圆盘绕光轴做旋转运动，从而会产生一束 2 mm 口径的激光束，该激光束在通过被测镜片时会产生一定程度的偏折，在接收屏上获取分散不一的屈光度信息。这是一种非接触式光学扫描方法，测量光路如图3所示。

图3 改进的哈特曼检测法

2.3 实验方法

被测镜片被固定在传动装置上，由步进电机带其移动，主要做以下两种的机械运动：(1)绕镜片光轴旋转；(2)以 28 mm 为半径的模仿眼球的圆周运动。这两种运动方式相结合带动被测镜片的移动，使激光束实现对被测镜片的扫描式测量。图4给出了被测镜片相对于扫描激光束的机械运动方式。

图4 被测镜片相对于扫描激光束的机械运动

当被测镜片在某一位置时，激光束通过被测镜片时产生一定的偏折，从而在接收屏上获取屈光度信息。在步进电机的带动下，被测镜片每移动10 mm，会产生相应的屈光度信息。如此往复，从而在接收屏上产生完整的被测镜片屈光度信息。

(1)传动装置的选取。选用日本SUS公司的XA-35L-50型号的传动装置，该装置可带动步进电机的移动，从而带动被测镜片的精准定位，以扫描整个镜片，该执行机构定位精度高、应用范围广，符合实验要求，如图5所示。

图5 传动装置示意图

(2)电机的选取。选用的步进电机是日本东方公司PK系列的电机，该步进电机为高转矩，低振动型步进电机，具有高效、标准的优点，符合本次实验要求，如图6所示。

图6 电机示意图

3 实验结果及分析

文中所设计的方法来检测球光度为-3.2 D，加光度为1.25 D的渐进多焦点镜片[14]。该镜片的参数为：前表面曲率半径r1=130.067 mm，后表面为渐进面，中心厚度t=1.75 mm，折射率n=1.47。采用哈特曼检测的两种方法来测量其表面屈光度。采样图如图7和图8所示。

图7 哈特曼检测方法

图8 改进的哈特曼检测方法

分别对采集到的图7和图8进行图像处理和数学运算，通过计算分别得到各自不同测量装置下的同一镜片屈光度信息。图7是传统的哈特曼检测方法的镜片采样图，根据式(1)可得出各点的屈光度信息。图8是改进型哈特曼检测方法的镜片采样图，其测量精度主要取决于CCD的性能及图像和数据处理的手段。根据公式[15]可以得到被测镜片的球光分布图和散光分布图。传统的哈特曼检测方法采用整体采样法，实验中的光阑是矩形阵列，这就导致获取采样范围受限，而改进型的哈特曼检测方法采用扫描测量法，主要是逐个测量被测镜片的各点，获取范围大，更全面获取镜片的整体信息。通过比较，可以得出改进后的测量装置简单，方便可行。

4 结束语

本文在传统的哈特曼检测基础上提出了一种改进

型的哈特曼检测方法。设计了实验的整体方案，通过与未改进前的哈特曼法进行比较，发现其不仅克服了光学系统设计上的问题，而且检测方法原理简单、方便可行。但由于采用扫描法,测量时间将较长,同时测量时需要将被测镜片和测量仪器固定，使得测量系统的移动性和测量可靠性降低，该方法图像采集和数据处理难度较大，这些问题将在后续研究中进行。

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Based on Hartmann Plate Detection Glasses Diopter Improvement Methods

ZHANG Xuedian ,WANG Yuxiao，CHANG Min

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Aiming at the technical problems existing in the traditional Hartmann measurement, it proposed a modified Hartmann detection method. Design the general scheme of experiment, Through collect image by CCD, after subsequent treatment can give lens power distribution map. By comparing with the traditional dattection method of Hartman,the results show that the improved test method has simple principle, convenient and feasible advantage.

hartmann method; diopter; progressive multifocal lenses; CCD

2016- 08- 15

国家重大仪器专项基金资助项目(2014YQ09070903，2013YQ03065104)；国家高技术研究发展计划基金资助项目(2015AA020401)

张学典(1974-)，男，教授，博士。研究方向：光电检测技术与仪器。王昱霄(1992-)，女，硕士研究生。研究方向：光电检测。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.020

TN247

A

1007-7820(2017)03-073-03