連續(xù)變焦驗光光學(xué)系統(tǒng)和便攜式主觀驗光儀的原理與應(yīng)用（上）

趙三元　趙之恒　陳天嘉

驗光儀是眼科疾病治療及屈光度數(shù)檢查的重要儀器之一，能夠提供可靠的測量結(jié)果，為從業(yè)者提供重要的參考數(shù)據(jù)。筆者自主研發(fā)出了一種能夠滿足插片驗光中試鏡片正常試戴的連續(xù)變焦驗光光學(xué)系統(tǒng)，用該系統(tǒng)制成的便攜式主觀驗光儀，結(jié)構(gòu)簡單、驗光快速、結(jié)果準確，只需插片驗光再進行少許調(diào)整或者不用調(diào)整，即可獲得最終配鏡處方。本文分為上中下三個部分，上篇主要探討系統(tǒng)設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)，中篇將詳細描述儀器驗光和參數(shù)設(shè)置方法，下篇將闡述儀器功能優(yōu)勢及應(yīng)用前景。

1 設(shè)計原理和儀器結(jié)構(gòu)

1.1 球鏡系統(tǒng)

在插片驗光的過程中，連續(xù)變焦驗光光學(xué)系統(tǒng)要等同于試鏡架上光焦度能連續(xù)變化的試鏡片，必須滿足以下條件：

a. 在驗光儀的測量范圍內(nèi)，必須等同于一個薄透鏡；

b. 在驗光儀的測量范圍內(nèi)，其像方主點的位置必須保持不變，且與試鏡片在試戴架上的光心位置重合，以保證該主點到被測眼角膜頂點之間的距離等于配戴框架眼鏡時的鏡片（不考慮厚度）到眼角膜頂點之間的距離[1]。

一般的共軸連續(xù)變焦球面光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

圖中，移動系統(tǒng)I和固定系統(tǒng)II組成共軸連續(xù)變焦球面光學(xué)系統(tǒng)，已知其基點位置，則合成系統(tǒng)的焦距f'、f，物方主點和象方主點的位置XH、X'H及它們之間的距離分別為：

圖1

由公式3、4、5可知，合成系統(tǒng)的主點位置及主點之間的距離是不斷變化的。因此，一般的共軸變焦光學(xué)系統(tǒng)無法滿足上述要求。

基于上述驗光光學(xué)系統(tǒng)的便攜式主觀驗光儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖中安放負透鏡L1（9）的透鏡框（8）可在線傳動機構(gòu)（20、23、21、19）的帶動下沿前鏡筒（11）的內(nèi)壁左右移動，同步帶動固定在透鏡框（8）上的球鏡光焦度指標線（6），在球鏡度數(shù)刻度板（6）上移動；固定正透鏡L2（12）和定程接眼目鏡（14）固定在后鏡筒（13）兩端，后鏡筒（13）可插入前鏡筒（11）并固定，以保證L₁、L₂、L₃共軸；接眼護圈（15）旋接在后鏡筒（13）上，保證被測眼觀察時的鏡眼距，老視視標架（25）可插入老視視標插孔（24），遮蓋另眼的遮板未畫出。

圖3

驗光方法：a. 近視驗光：驗光師囑被測者左手手持驗光儀，被測眼貼近驗光儀接眼護圈（15），遮蓋另一只眼，觀察5m遠處的視力表或者其他物體，右手轉(zhuǎn)動線傳動主動輪（21）的轉(zhuǎn)輪，直至看得清楚為止。此時，指標線板上的指標線對準的數(shù)值即為被測眼的球面光焦度值。操作3次，取平均值，換一只眼，重復(fù)上述操作。

由于驗光時是光焦度連續(xù)變化實現(xiàn)最佳視力的，且測定3次，取平均值，一方面可以有效減少測定過程的估讀誤差，另一方面，平均值既不是測定值的最大值，也不是最小值，一般也不是最大值和最小值的平均值，而是偏向兩次測定結(jié)果相差較小的一側(cè)，所以平均值應(yīng)是被測眼最佳視力的最佳球鏡度數(shù)，但難以達到MPMVA。

b. 老視眼驗光：可將老視視標（25）插入老視視標插孔（24）內(nèi)，被測眼貼近接眼護圈（15），重復(fù)上述操作，直至老視視標看得最清晰。此時指標線指示的球面屈光度即為被測眼的老視鏡的度數(shù)。

根據(jù)老視鏡經(jīng)驗測定法以被測者的舒適度為主的原則，和一般閱讀距離為30～40cm，且要在±5cm變動范圍內(nèi)看得清晰的要求，并考慮到一般生理性老花眼的度數(shù)在+0.50D～+3.50D之間及本驗光儀前主點在負透鏡L₁的物方焦點處的情況，本驗光儀的老視視標沒有必要隨負透鏡L1一起移動，其位置可設(shè)定在負透鏡L1處于零位時的遠眼方大約30cm或40cm，減去負透鏡L1的焦距絕對值|f1|的地方即可。如L1零位與鏡筒前端的距離為Xcm，則老年視標可設(shè)在距鏡筒前端[30-|f₁|-X]cm～[40-|f₁|-X]cm之間。

筆者將圖3所示的實例制成原理樣機后，在醫(yī)院的門診部眼科進行了試用，分別與插片驗光、散瞳驗光進行比較，并把差別≤0.25D的作為完全相符，差別在0.25D～0.50D的作為基本符合，差別＞0.50D的作為差別較大，對比結(jié)果見表1。

表1

測試結(jié)果表明，本驗光儀與插片驗光相比，其完全相符率為95.8%，基本相符率為100%，說明設(shè)計采用的連續(xù)變焦驗光光學(xué)系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)了對插片驗光試鏡架上的試鏡片光焦度實現(xiàn)連續(xù)變化的精確模擬，驗證了該系統(tǒng)的設(shè)計方案是可行的，其機械系統(tǒng)的運行和示值的正確性是可靠的。與散瞳驗光相對比，符合率有所降低，其原因一是驗光儀本身有測定誤差，二是散瞳驗光時驗光師的主觀判定導(dǎo)致出現(xiàn)誤差，而遠視基本相符率較低的原因則由使用鏡片誤差較大帶來的累積誤差造成，可以減小或消除。

1.2 柱鏡系統(tǒng)

兩個密接的同號薄圓柱鏡片L₄、L₅，當(dāng)它們的軸線之間的夾角α為銳角時，其合成系統(tǒng)的散光度數(shù)C、球鏡度數(shù)D及散光軸向β由Thompson公式給出：

上述公式中，A、B為L₄、L₅的散光度數(shù)，散光軸向β仍在L₄、L₅軸線組成的平面內(nèi)且通過L₄、L₅軸線的交點。

取A=B=-3D_柱，則有：

當(dāng)α角在0°～90°之間變化時，合成系統(tǒng)的散光度數(shù)C在-6.00D_柱～0D_柱之間變化，球鏡度數(shù)D在0D_球～-3.00D_球之間變化，散光軸向β為L₄、L₅軸線夾角的角平分線方向，當(dāng)將L₄和L₅同步繞軸線交點垂線旋轉(zhuǎn)時散光度數(shù)C、球鏡度數(shù)D均不會發(fā)生變化。因此，該柱面變焦系統(tǒng)滿足驗光儀散光測量范圍及散光軸向0°～180°的示值范圍要求。將L₄、L₅的組合緊貼于前述連續(xù)變焦球面驗光光學(xué)系統(tǒng)定程接眼目鏡的任一側(cè)，并使L₄、L₅的軸線交點在L₁、L₂、L₃的光軸上，則L₁、L₂、L₃、L₄、L₅組成的合成系統(tǒng)的有關(guān)主點位置并不會發(fā)生變化，仍滿足插片驗光對變焦系統(tǒng)的有關(guān)要求。此即為連續(xù)變焦驗光光學(xué)系統(tǒng)，其光路系統(tǒng)如圖4所示。

圖4

圖中，L₁、L₂、L₃組成連續(xù)變焦球面驗光光學(xué)系統(tǒng)，L₄、L₅組成連續(xù)變焦散光光學(xué)系統(tǒng)，L₄、L₅可繞光軸相對轉(zhuǎn)動以改變它們的軸線之間的夾角，又可同步繞光軸轉(zhuǎn)動改變散光軸向。代入公式7、8，當(dāng)α=90°即L₄、L₅軸線相垂直時，散光合成系統(tǒng)的散光度數(shù)C=0，球面度數(shù)為D=-3.00D_球，因此，定程接眼目鏡L₃的實際光焦度應(yīng)為原設(shè)計的光焦度加上+3.00D。

采用上述內(nèi)置連續(xù)變焦驗光光學(xué)系統(tǒng)的便攜式主觀驗光儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5

圖中，由負透鏡L₁（9）、正透鏡L₂（12）和定程接眼目鏡L₃（26）組成的連續(xù)變焦球面驗光光學(xué)系統(tǒng)的共軸方式、變焦調(diào)節(jié)裝置和光焦度顯示裝置如前文所述。連續(xù)變焦散光光學(xué)系統(tǒng)由負柱面透鏡L₄和L₅、散光度數(shù)調(diào)節(jié)裝置和散光度數(shù)及軸向顯示裝置組成。散光度數(shù)調(diào)節(jié)裝置為由小錐齒輪（17）、大椎齒輪（27）、（23）組成的同軸反轉(zhuǎn)機構(gòu)。安裝定程接眼目鏡L₃（26）和負柱面透鏡L₄（25）的透鏡框（28）和安裝負柱面透鏡L₅（24）的透鏡框（22）分別安裝在大椎齒輪（27）、（23）的同軸軸孔中，小錐齒輪（17）的軸線位于L₄、L₅軸線夾角的角平分線方向。轉(zhuǎn)動小錐齒輪（17），大錐齒輪（27）、（23）同軸反轉(zhuǎn)，改變L4、L5軸線之間的夾角，從而改變合成系統(tǒng)的散光度數(shù)，但不改變角平分線的方向即散光軸向。散光度數(shù)顯示裝置由固定在小錐齒輪（17）上的散光度數(shù)刻度盤（18）和刻在目鏡筒（29）上的指標線組成。散光軸向顯示裝置由刻在目鏡筒（29）的壓緊螺（16）斜面上的散光軸向刻度值和刻在目鏡筒（29）上的指標線組成，轉(zhuǎn)動目鏡筒（29），指標線對準的度數(shù)即為散光軸向。

參考文獻

[1] 母國光，戰(zhàn)元齡.光學(xué)[M].人民教育出版社，1979，P156-P158.

（未完待續(xù)）

作者簡介

趙三元，原常熟質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局副局長，高級工程師，中國光學(xué)學(xué)會會員，安徽省光學(xué)學(xué)會會員，安徽省光學(xué)學(xué)會激光專業(yè)委員會常務(wù)委員，在中國人民解放軍原合肥炮兵技術(shù)學(xué)院（現(xiàn)陸軍炮兵防空兵學(xué)院）光學(xué)教研室和科研處工作多年，長期從事光學(xué)與激光技術(shù)教學(xué)科研工作和標準化、質(zhì)量監(jiān)督管理工作，合作編寫、獨立編寫該院《激光和紅外制導(dǎo)》等教材講義4種，在《中國激光》雜志、《全國激光軍事工程應(yīng)用研討會論文集》等多篇文章。