基于哈特曼-夏克传感器的渐变焦眼镜测量系统

潘金柱，付东翔

(上海理工大学 光电信息与计算机学院，上海 200093)

基于哈特曼-夏克传感器的渐变焦眼镜测量系统

潘金柱，付东翔

(上海理工大学 光电信息与计算机学院，上海 200093)

眼镜的测量是渐进多焦点眼镜设计和加工过程中的一个重要环节，但是已有仪器的稳定性和精确度并不理想。因此设计了一种完整的测量系统，采用哈特曼夏-克传感器采集数据，采用望远系统对透过镜片的光线进行人眼视物的简单模拟，并通过Java编写测量软件，采集传感器接收到的不规则光波，并依据波前重构算法重构波前，与原始规则光波进行比较分析，得到Zernike系数，最终得到所需要的光焦度和散光的值。测量结果的精确度与预期设计基本吻合，达到了设计需求。

渐进多焦点眼镜；测量系统；哈特曼-夏克传感器；望远系统；波前重构算法；散光；光焦度

渐进多焦点眼镜的特点是以屈光度循环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的连接在一起，满足了视近和视远的不同度数需求，提高了眼睛的舒适感；更重要的，一副眼镜可以同时满足近视眼和老花眼的视物需求。

对于加工出来的镜片需要进行设计要求的评测，包括散光和光焦度的测量。目前市面上的测量仪器主要是以色列伟视力(Visionix)公司所研制的VM2000，这台仪器是多年前生产的，现在已经停产[1]。并且厂家不再提供升级服务，在实际测量中会出现测量不稳定，有些数据采集不到或者不完整。因此设计一种成本低、简单高效的测量系统是必要，有利于满足渐变焦镜片设计前期及后期的测量需求，本文中选取哈特曼-夏克传感器对多光轴渐进多焦点镜片进行测量，搭配自行开发的采集软件进行测量实验，获得了满意的效果。

1 测量系统原理

1.1 哈特曼-夏克传感器

Hartmann-Shack原理最早是由哈特曼提出，后来经过夏克改进，是一种测量人眼波前像差的方法[2]。核心原理：把透镜划分成阵列，把每个阵列视为一个微元。完整的波前经过透镜划分成若干个小的单元波前区域，计算每个小区域的波前平均斜率，然后通过波前重构算法得到完整的波前信息。

哈特曼夏克传感器主要由组成一个微透镜阵列和CCD。通过微透镜阵列的波前聚焦后汇聚形成不同光强的光斑，在传感器的CCD上可以形成光强分布。入射平面光线具有规则的波前，在CCD上汇聚点与透镜像方焦点重合。如果入射光为非平面波则波前为畸变波前，在上的汇聚点与透镜方焦点有偏离如图1所示。

图1 哈特曼-夏克传感器原理图

图像识别软件获取CCD上的图像，分析汇聚点的质心偏移量得到局部波前斜率，公式如下[3]

(1)

(2)

其中，f为微透镜的焦距；x(x,y)是第i个子孔径上的被测波前；Δx与Δy分别代表汇聚点的质心在x轴与y轴上的偏移量。

1.2 望远系统光路原理

图2 望远系统原理图

依据实际透过光栅的光线直径和传感器的要求入射直径的比值关系，选取f1∶f2=1∶2。试验过程中分别将待测眼镜片固定在O处、将传感器的入瞳位置放于I处。根据f1∶f2确定O和I的位置，进而很好的模拟了人眼的光学视物原理。

2 测量系统组成

如图3所示为基于哈特曼-夏克传感器测量渐变焦镜片的实验光路图，其中o点表示模拟眼球中心的位置。整个测量光路由激光器、光阑、待测镜片、望远系统、哈特曼-夏克传感器(Hartmann-Shack Sen- sor，HSS)和计算机组成,其实物图如图3所示[5]。

图3 测量系统组成图

激光光束入射到待测镜片的待测区域，再进入望远系统。从望远系统输出的光波将被传感器接收，由于传感器与计算机相连，所以计算机会将采集到的波前，用Java编写的软件采集波前信息，分析计算得到需要测量的散光、光焦度显示在电脑屏幕上。该测量系统中，所使用的激光器的输出波长为780[6]，光阑为可变光阑。待测镜片固定在转动装置中，由nm转动装置来实现多光轴的测量。

图4 测量系统实物

3 测量数据处理

3.1 波前重构算法

建立Zernike多项式模型对波前进行描述

(3)

其中，a0为平均相位波面[7]；ak为第k项Zernike多项式的系数；Zk为第k项Zernike多项式；e为波前测量误差。通过Zernike系数的导数建立波前斜率与Zernike模式系数的关系矩阵，由实际测量的斜率求出Zernike系数向量，起矩阵计算式为[8]

(4)

可表示为

D=ZA+e

(5)

A=Z+G

(6)

为Zernike多项式在每个微透镜内的平均斜率构成的矩阵，由哈特曼-夏克传感器测量得到向量G，根据上式(6)便能得到Zernike多项式系数矩阵A，再根据式(3)即可得到重构的波前[8]。

通过编写软件采集传感器的Zernike系数，对波前进行重构[9]，再依据散光、光焦度的计算公式得到待测量。计算公式如下[7-11]

(7)

(8)

在式(7)中C为柱镜度数即散光度数光焦度的计算公式如下[10]

(9)

式(9)中，φ0为SSH所采集到的光焦度值，可在计算机中直接获得；φH为通过计算得到的实际镜片的光焦度的值[11]。

3.2 测量方法及数据分析

整个测量过程，需要测量一个镜片中的12条线，每条线测量17个点，如图5所示。本文以水平线为例进行测量，得到17个点的测量值。

图5 镜片测量点分布图

用Java开发软件采集传感器中的Zernike系数。开发流程过程如图6所示。

图6 开发流程图

首先进行初始化操作，传感器采集的信息会显示在CDD上[12]，通过传感器图像处理软件把CDD上的图像抓取分析。根据波前重构算法得到重构波前的信息[13]，生成包含Zernike系数的文档。通过软件采集模块采集文档中对应位置下的C3与C5。数据处理模块对采集到的数据进行运算处理，最后把对应点的散光值和光焦度显示到界面上。显示界面如图7所示。

图7 采集界面

最终采集到不同位置的数据及处理后的曲线图如表1及图8所示。

表1 水平线上的测量结果

图8 光焦度及散光的测量结果曲线图

通过数据采集软件采集到数据并进行分析，得到的结果与江苏丹阳市的万新光学园中检测得到的数据对比，无论是数据还是变化趋势均基本一致，保证了测量系统的基本功能和精度需求。

4 结束语

本文主要论述了一种完整的渐变焦镜片光焦度和散光的测量系统的实现过程。主要依据光学望远系统原理，模拟了人眼视物的过程。利用哈特曼-夏克传感器的波前重构原理[14-15]。搭建了一种简便、实用的测量系统。通过分析需求用Java语言编写软件，整合波前重构算法实现采集和分析数据的功能[16]，得到准确的实验数据，满足整个渐变焦镜片设计项目中的采集和分析数据的需求，降低了系统设计的成本，为后期镜片性能的综合分析提供了更好的支持。

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The Measurement System Design of Progressive Addition Lens’S Focal Power and Astigmatism Based on Hartmann-shack Sensor

PAN Jinzhu，FU Dongxiang

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

The measurement of glasses is an important part in the design and manufacture of progressive multifocal glasses, but the stability and the accuracy of the glasses are not ideal. So the design of the a comprehensive measurement system, using Hartmann-shark sensors to collect the data, using telescope system of light to simulate the situation of eyes, and write software through the java to measure the glasses, sensor receives the irregular wave and according to the wavefront reconstruction algorithm to reconstruct the wavefront, and the original rules of light were comparative analysis, the Zernike coefficients are obtained, finally get needed to focus the light and the astigmatism values. The accuracy of the measurement results are in agreement with the expected design, and achieve the expected requirements of design.

progressive multifocal lens;measurement system;hartmann-shack sensor;telescopic system;wavefront reconstruction algorithm;optical power;astigmatism

2016- 05- 05

潘金柱(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：检测技术与应用等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.037

TP206.1

A

1007-7820(2017)03-134-04