散光鏡片成像（焦線）的測量

張豪平，羅 琳

（上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海201209）

散光鏡片成像（焦線）的測量

張豪平，羅 琳

（上海第二工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，上海201209）

針對(duì)眼視光專業(yè)散光眼矯正原理的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)制作了散光鏡片成像原理教學(xué)演示儀。主要介紹了該裝置的測量原理、測試步驟、數(shù)據(jù)處理方法。本裝置在眼視光技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)中達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

散光；焦線；測量；距離

0 引言

當(dāng)眼睛在沒有調(diào)節(jié)的狀態(tài)下，外界的平行光線進(jìn)入眼球經(jīng)過屈光介質(zhì)后，在視網(wǎng)膜上不能形成焦點(diǎn)的眼，稱為散光眼。形成散光眼屈光不正的光學(xué)原理，主要是由于眼睛的整個(gè)屈光系統(tǒng)在兩個(gè)子午線方向上的屈光力不同，因而不能在眼的視網(wǎng)膜上形成焦點(diǎn)，導(dǎo)致視力降低，并引起足以感覺到的光學(xué)缺陷[1]。規(guī)則散光按性質(zhì)分類：單純性散光、復(fù)性散光、混合性散光[2]。目前國內(nèi)普通高等院校眼視光技術(shù)專業(yè)的眼鏡光學(xué)課程在描述散光透鏡成像原理的過程中，主要是依靠教師通過黑板板書加繪圖的教學(xué)方法進(jìn)行講解，學(xué)生對(duì)此內(nèi)容的理解并不直觀，不利于正確理解光學(xué)成像原理。針對(duì)目前這種教學(xué)方法的現(xiàn)狀，我們精心設(shè)計(jì)制作了一種新型散光鏡片成像原理教學(xué)演示儀。目前，在國內(nèi)普通高等院校的眼視光專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中尚未見到該實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示裝置。新型實(shí)驗(yàn)演示儀主要能夠讓學(xué)生正確和深刻地理解散光鏡片成像前焦線、后焦線距離和兩線之間所成夾角的關(guān)系，由此可以研究分析散光鏡片成像的特性。本文對(duì)這新型散光鏡片成像原理實(shí)驗(yàn)演示儀的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理、實(shí)驗(yàn)效果作簡要介紹。

1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)采用的光源是半導(dǎo)體激光器。激光器發(fā)出的光波顏色為紅色，波長是650 nm，功耗為0.2毫瓦。激光具有下列特性：方向性好、單色性高、相干性好、亮度高，因此，本試驗(yàn)無需在暗室條件下進(jìn)行操作，可以直接在教室內(nèi)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)。半導(dǎo)體激光器還具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束具有較小發(fā)散角，光路是直徑較小的發(fā)散紅色光束。光學(xué)原理示意圖見圖1。由于紅色光束不能夠直接達(dá)到測量散光鏡片要求的直徑光斑，為此，我們需要在空間濾波并用擴(kuò)束鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的紅色光束進(jìn)行擴(kuò)束處理。經(jīng)過擴(kuò)束處理的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的紅色光束必須滿足三個(gè)條件：（1）光斑的直徑要足夠大（要求達(dá)到待測鏡片的直徑）；（2）輸出的紅色光束一定是平行光；（3）光斑能量盡可能均勻。

本試驗(yàn)裝置選用了開普勒設(shè)計(jì)類型的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行擴(kuò)束，使原來半導(dǎo)體激光器發(fā)出的紅色光束斑得到了明顯放大。同時(shí)，通過微調(diào)擴(kuò)束鏡目鏡與物鏡之間的距離使擴(kuò)束鏡輸出紅色光束為平行光，再通過像屏在光具座上前后移動(dòng)位置，觀察像屏上的紅色光斑有無發(fā)生直徑大小的變化來證明是否是平行光：若前后移動(dòng)像屏無光斑直徑大小變化，則此時(shí)為平行光輸出。像屏示意圖見圖2，可直接讀出光斑直徑大小的數(shù)值。然后，將待測規(guī)則散光正鏡片放入擴(kuò)束鏡的物鏡與像屏之間。由于待測散光正鏡片在水平方向子午經(jīng)向焦力與垂直方向子午經(jīng)向焦力不同，依據(jù)幾何光學(xué)原理圖（圖1），散光鏡片在垂直方向的焦力大、焦距短，它所產(chǎn)生的焦線先到達(dá)光軸；在水平方向的焦力小、焦距長，它所產(chǎn)生的焦線后到達(dá)光軸[3]。通過用像屏在光具座上前后移動(dòng)找到清晰的前、后焦線的成像位置，并從光具座毫米刻度讀數(shù)尺上分別讀出前、后焦線位置數(shù)值，同時(shí)也可以觀察到兩根焦線之間所形成的夾角是直角關(guān)系。

圖1 測量散光鏡片光學(xué)原理圖1. 半導(dǎo)體激光器；2. 擴(kuò)束鏡的目鏡；3. 擴(kuò)束鏡的物鏡；4. 待測散光鏡片；5. 像屏前、后移動(dòng)位置Fig. 1 The optical principle diagram of astigmatic lens measurement

圖2 像屏毫米刻度、角度讀數(shù)示意圖Fig. 2 The diagram of Millimeter scale Imaging screen and angle

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的測量過程見示意圖3：實(shí)驗(yàn)者先將導(dǎo)軌6放置于平整的桌面上，通過調(diào)節(jié)底腳8將導(dǎo)軌調(diào)至平穩(wěn)，將各個(gè)部件按圖3所示的位置放置于導(dǎo)軌上，通過高度調(diào)節(jié)螺母使1、2、3、4在同一高度，調(diào)節(jié)一維滑座7使儀器四個(gè)部件的光軸位于同一直線上，開啟半導(dǎo)體激光器電源，調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的目鏡同時(shí)觀察像屏上紅色光斑直徑大小達(dá)到待測量散光鏡片直徑的要求，前后移動(dòng)光具座上的像屏，觀察像屏上的紅色光斑直徑大小是否變化。如紅色光斑有變化，通過調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的物鏡確保像屏前后移動(dòng)使像屏上的紅色光斑大小無變化，即完成了對(duì)紅色光斑的放大和平行光的調(diào)整處理。

插入待測散光正鏡片，前后移動(dòng)光具座上的像屏可以分別看到清晰的前、后焦線成像，通過光具座毫米刻度尺9分別多次測量，讀出前、后焦線的距離數(shù)值，同時(shí)可在像屏4上讀出前、后焦線位置的角度值，前焦線的角度值即為散光軸位，后焦線的距離數(shù)值減去前焦線的距離數(shù)值結(jié)果的倒數(shù)即為散光度數(shù)。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室給定的兩塊散光正鏡片：（1）單純性散光正鏡片（1.5D）；（2）復(fù)性遠(yuǎn)視散光鏡片（+2.00DS/+2.00DC），分別測量出這兩塊散光鏡片的前、后焦線的距離數(shù)值，并將測量的原始數(shù)據(jù)分別填入表1、表2內(nèi)，正確處理原始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。

圖3 測量散光鏡片實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.半導(dǎo)體激光器三維調(diào)節(jié)支架；2. 開普勒擴(kuò)束鏡；3. 待測散光鏡片支架；4. 像屏；5. 高度調(diào)節(jié)螺母；6. 導(dǎo)軌；7. 一維調(diào)節(jié)滑座；8. 底腳調(diào)節(jié)螺母；9. 毫米刻度讀數(shù)尺Fig. 3 The diagram of experimental device structure for measuring astigmatic lens

3 試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)和處理

3.1 單純性散光正鏡片焦線距離d的數(shù)據(jù)處理（見表1）

表1 單純性散光正鏡片（儀器最小分刻度為1 mm；儀器誤差?=0.5mm）Tab. 1 Pure astigmatic positive lens ( the min scale of equipment is 1mm; the difference of equipment ?is0.5mm)

3.2 復(fù)性遠(yuǎn)視散光鏡片前焦線距離d的數(shù)據(jù)處理（見表2）

表2 復(fù)性遠(yuǎn)視散光鏡片（儀器最小分刻度：1 mm；儀器誤差：?=0.5mm）Tab. 2 Composite property lens of Hyperopic astigmatism (the min scale of equipment is 1mm; the difference of equipment ?is0.5mm)

4 注意事項(xiàng)

(1) 光具座應(yīng)保持清潔，光學(xué)鏡片表面切忽用手觸摸，如有灰塵請(qǐng)用專門的擦鏡紙輕輕擦拭。

(2) 試驗(yàn)儀器應(yīng)保存在干燥的場所。

(3) 試驗(yàn)儀器應(yīng)在低溫和室溫下工作，保證半導(dǎo)體激光器處于最佳工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本裝置經(jīng)對(duì)我校眼視光技術(shù)專業(yè)08、09屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)起到了良好的教學(xué)效果。裝置設(shè)計(jì)構(gòu)思簡單巧妙、操作方便，使學(xué)生們更加清晰和直觀地了解散光透鏡片的光學(xué)成像原理。該實(shí)驗(yàn)演示裝置是普通高等院校眼視光技術(shù)專業(yè)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的理想專用實(shí)驗(yàn)儀器。

[1] 徐廣第. 眼科屈光學(xué)[M]. 北京: 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社, 2005.

[2] 齊備. 眼鏡驗(yàn)光員[M]. 北京: 中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 2008.

[3] 齊備. 綜合驗(yàn)光儀的原理和操作方法[M]. 上海: 上?？茖W(xué)出版社, 2003.

The Measurements of Astigmatism Lens Imaging (Confocal Line)

ZHANG Hao-ping, LUO Lin
（School of Science, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China）

The instrument of astigmatism lens imaging is designed and produced in order to help the teaching of principal of astigmatic eyes correction in ophthalmic & optometry department. This paper mainly introduces the measuring principles of this instrument, testing steps and data processing methods. This instrument has achieved good teaching effects in the demo of ophthalmic & optometry techniques.

astigmatism; focus line; measurement; distance

R778.1+3

A

1001-4543(2011)04-0313-05

2011-05-19;

2011-06-29

張豪平（1959－），男，上海人，工程師，主要研究方向?yàn)檠垡暪饧夹g(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)，電子郵箱hpzhang@sf.sspu.cn。