基于哈特曼-夏克傳感器的漸變焦眼鏡測量系統(tǒng)

潘金柱，付東翔

(上海理工大學 光電信息與計算機學院，上海 200093)

基于哈特曼-夏克傳感器的漸變焦眼鏡測量系統(tǒng)

潘金柱，付東翔

(上海理工大學 光電信息與計算機學院，上海 200093)

眼鏡的測量是漸進多焦點眼鏡設計和加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，但是已有儀器的穩(wěn)定性和精確度并不理想。因此設計了一種完整的測量系統(tǒng)，采用哈特曼夏-克傳感器采集數據，采用望遠系統(tǒng)對透過鏡片的光線進行人眼視物的簡單模擬，并通過Java編寫測量軟件，采集傳感器接收到的不規(guī)則光波，并依據波前重構算法重構波前，與原始規(guī)則光波進行比較分析，得到Zernike系數，最終得到所需要的光焦度和散光的值。測量結果的精確度與預期設計基本吻合，達到了設計需求。

漸進多焦點眼鏡；測量系統(tǒng)；哈特曼-夏克傳感器；望遠系統(tǒng)；波前重構算法；散光；光焦度

漸進多焦點眼鏡的特點是以屈光度循環(huán)漸進的變化方式從遠用度數逐步到近用度數，將遠用光區(qū)和近用光區(qū)有機的連接在一起，滿足了視近和視遠的不同度數需求，提高了眼睛的舒適感；更重要的，一副眼鏡可以同時滿足近視眼和老花眼的視物需求。

對于加工出來的鏡片需要進行設計要求的評測，包括散光和光焦度的測量。目前市面上的測量儀器主要是以色列偉視力(Visionix)公司所研制的VM2000，這臺儀器是多年前生產的，現在已經停產[1]。并且廠家不再提供升級服務，在實際測量中會出現測量不穩(wěn)定，有些數據采集不到或者不完整。因此設計一種成本低、簡單高效的測量系統(tǒng)是必要，有利于滿足漸變焦鏡片設計前期及后期的測量需求，本文中選取哈特曼-夏克傳感器對多光軸漸進多焦點鏡片進行測量，搭配自行開發(fā)的采集軟件進行測量實驗，獲得了滿意的效果。

1 測量系統(tǒng)原理

1.1 哈特曼-夏克傳感器

Hartmann-Shack原理最早是由哈特曼提出，后來經過夏克改進，是一種測量人眼波前像差的方法[2]。核心原理：把透鏡劃分成陣列，把每個陣列視為一個微元。完整的波前經過透鏡劃分成若干個小的單元波前區(qū)域，計算每個小區(qū)域的波前平均斜率，然后通過波前重構算法得到完整的波前信息。

哈特曼夏克傳感器主要由組成一個微透鏡陣列和CCD。通過微透鏡陣列的波前聚焦后匯聚形成不同光強的光斑，在傳感器的CCD上可以形成光強分布。入射平面光線具有規(guī)則的波前，在CCD上匯聚點與透鏡像方焦點重合。如果入射光為非平面波則波前為畸變波前，在上的匯聚點與透鏡方焦點有偏離如圖1所示。

圖1 哈特曼-夏克傳感器原理圖

圖像識別軟件獲取CCD上的圖像，分析匯聚點的質心偏移量得到局部波前斜率，公式如下[3]

(1)

(2)

其中，f為微透鏡的焦距；x(x,y)是第i個子孔徑上的被測波前；Δx與Δy分別代表匯聚點的質心在x軸與y軸上的偏移量。

1.2 望遠系統(tǒng)光路原理

圖2 望遠系統(tǒng)原理圖

依據實際透過光柵的光線直徑和傳感器的要求入射直徑的比值關系，選取f1∶f2=1∶2。試驗過程中分別將待測眼鏡片固定在O處、將傳感器的入瞳位置放于I處。根據f1∶f2確定O和I的位置，進而很好的模擬了人眼的光學視物原理。

2 測量系統(tǒng)組成

如圖3所示為基于哈特曼-夏克傳感器測量漸變焦鏡片的實驗光路圖，其中o點表示模擬眼球中心的位置。整個測量光路由激光器、光闌、待測鏡片、望遠系統(tǒng)、哈特曼-夏克傳感器(Hartmann-Shack Sen- sor，HSS)和計算機組成,其實物圖如圖3所示[5]。

圖3 測量系統(tǒng)組成圖

激光光束入射到待測鏡片的待測區(qū)域，再進入望遠系統(tǒng)。從望遠系統(tǒng)輸出的光波將被傳感器接收，由于傳感器與計算機相連，所以計算機會將采集到的波前，用Java編寫的軟件采集波前信息，分析計算得到需要測量的散光、光焦度顯示在電腦屏幕上。該測量系統(tǒng)中，所使用的激光器的輸出波長為780[6]，光闌為可變光闌。待測鏡片固定在轉動裝置中，由nm轉動裝置來實現多光軸的測量。

圖4 測量系統(tǒng)實物

3 測量數據處理

3.1 波前重構算法

建立Zernike多項式模型對波前進行描述

(3)

其中，a0為平均相位波面[7]；ak為第k項Zernike多項式的系數；Zk為第k項Zernike多項式；e為波前測量誤差。通過Zernike系數的導數建立波前斜率與Zernike模式系數的關系矩陣，由實際測量的斜率求出Zernike系數向量，起矩陣計算式為[8]

(4)

可表示為

D=ZA+e

(5)

A=Z+G

(6)

為Zernike多項式在每個微透鏡內的平均斜率構成的矩陣，由哈特曼-夏克傳感器測量得到向量G，根據上式(6)便能得到Zernike多項式系數矩陣A，再根據式(3)即可得到重構的波前[8]。

通過編寫軟件采集傳感器的Zernike系數，對波前進行重構[9]，再依據散光、光焦度的計算公式得到待測量。計算公式如下[7-11]

(7)

(8)

在式(7)中C為柱鏡度數即散光度數光焦度的計算公式如下[10]

(9)

式(9)中，φ0為SSH所采集到的光焦度值，可在計算機中直接獲得；φH為通過計算得到的實際鏡片的光焦度的值[11]。

3.2 測量方法及數據分析

整個測量過程，需要測量一個鏡片中的12條線，每條線測量17個點，如圖5所示。本文以水平線為例進行測量，得到17個點的測量值。

圖5 鏡片測量點分布圖

用Java開發(fā)軟件采集傳感器中的Zernike系數。開發(fā)流程過程如圖6所示。

圖6 開發(fā)流程圖

首先進行初始化操作，傳感器采集的信息會顯示在CDD上[12]，通過傳感器圖像處理軟件把CDD上的圖像抓取分析。根據波前重構算法得到重構波前的信息[13]，生成包含Zernike系數的文檔。通過軟件采集模塊采集文檔中對應位置下的C3與C5。數據處理模塊對采集到的數據進行運算處理，最后把對應點的散光值和光焦度顯示到界面上。顯示界面如圖7所示。

圖7 采集界面

最終采集到不同位置的數據及處理后的曲線圖如表1及圖8所示。

表1 水平線上的測量結果

圖8 光焦度及散光的測量結果曲線圖

通過數據采集軟件采集到數據并進行分析，得到的結果與江蘇丹陽市的萬新光學園中檢測得到的數據對比，無論是數據還是變化趨勢均基本一致，保證了測量系統(tǒng)的基本功能和精度需求。

4 結束語

本文主要論述了一種完整的漸變焦鏡片光焦度和散光的測量系統(tǒng)的實現過程。主要依據光學望遠系統(tǒng)原理，模擬了人眼視物的過程。利用哈特曼-夏克傳感器的波前重構原理[14-15]。搭建了一種簡便、實用的測量系統(tǒng)。通過分析需求用Java語言編寫軟件，整合波前重構算法實現采集和分析數據的功能[16]，得到準確的實驗數據，滿足整個漸變焦鏡片設計項目中的采集和分析數據的需求，降低了系統(tǒng)設計的成本，為后期鏡片性能的綜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，碩士研究生。研究方向：檢測技術與應用等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.037

TP206.1

A

1007-7820(2017)03-134-04