王偉 李志得 蔡振威

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一種眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置的設(shè)計(jì)

王偉 李志得 蔡振威

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院東莞計(jì)量院）

根據(jù)眼鏡產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)一種眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置。利用雙光束、積分球提高檢測準(zhǔn)確度；設(shè)計(jì)適用于不同類型眼鏡片的夾具，使眼鏡-軸定位誤差控制在±0.1 mm，角度定位誤差控制在±0.1°；通過編程計(jì)算實(shí)現(xiàn)多參數(shù)一次性檢測，提高檢測效率。

眼鏡產(chǎn)品；鏡片光學(xué)性能；檢測裝置

0 引言

目前，市場上通用的眼鏡檢測設(shè)備只能檢測鏡片透射比和交通信號(hào)識(shí)別等指標(biāo)。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-4]要求，本文設(shè)計(jì)了一種眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置，既能檢測通用指標(biāo)，又能檢測鏡片特殊光學(xué)性能指標(biāo)，如，護(hù)目鏡深色濾光片極小光透射比（分辨力低至1×10-8）、太陽鏡鏡片寬角散射光、角膜接觸鏡小區(qū)域透射比（半徑小于3 mm區(qū)域）和鏡片透射比均勻性（定位最大允差±0.1 mm）等。

1 裝置結(jié)構(gòu)

檢測鏡片透射比的方法較多，考慮到需檢測紫外光、可見光和藍(lán)光等不同波段的光，一般采用分光光度計(jì)的方法。分光光度計(jì)按結(jié)構(gòu)分為單光束和雙光束2種。

單光束儀器對(duì)一個(gè)樣品需測量2次，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，但由于光源2次測量的能量有細(xì)微差異，造成測量準(zhǔn)確度難以保持。雙光束儀器將測量光束分為2條，其中一條為參比光路，另一條為樣品光路；只需在開機(jī)后進(jìn)行1次調(diào)零校準(zhǔn)即可，不需要像單光束儀器一樣，每次測量樣品前都進(jìn)行參比測量。

雙光束儀器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，體積較大，但樣品室也比較寬大，可以測量大尺寸樣品。相較于單光束儀器，雙光束儀器在測量時(shí)參比與樣品同時(shí)測量，有效避免光源能量漂移對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，提高儀器的測量準(zhǔn)確度。為達(dá)到高準(zhǔn)確度和滿足大尺寸樣品的需要，本文設(shè)計(jì)的眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置采用雙光束結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于透射光學(xué)元件的色散會(huì)影響分光光度計(jì)的準(zhǔn)確性，因此盡量用反射光學(xué)元件代替透射光學(xué)元件。

圖1　眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置原理圖

由于眼鏡片表面帶有曲率，大部分還帶有一定的屈光度，光線經(jīng)過鏡片不可避免地產(chǎn)生偏折或會(huì)聚發(fā)散。對(duì)于傳統(tǒng)的分光光度計(jì)來說，這將導(dǎo)致光斑在光電探測器上位置偏移或形狀變化，從而導(dǎo)致測量值偏離實(shí)際值[5]。解決方法：1）在檢測器前加積分球；2）設(shè)計(jì)專用的夾持裝置，通過精確定位，保證樣品的光軸與測量光束在一條直線上；3）通過調(diào)整狹縫寬度和光闌高度來調(diào)節(jié)光束的大小位置，從而使入射口的光斑與鏡片大小相適應(yīng)。通過單色器的調(diào)整使測量光束成為明顯的白光束，可以清晰直觀地觀察到測量光束是否完全被接收。這個(gè)功能對(duì)測量帶光焦度的樣品非常有效。測量前，將樣品放置在光路中，光斑完全進(jìn)入接收器，這樣保證測量光束透過樣品后能被完全接收，確保測量的準(zhǔn)確性。眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置光路示意圖如圖2所示。

圖2　眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置光路示意圖

2 各組件規(guī)格及設(shè)計(jì)原理

眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置在分光光度計(jì)的基礎(chǔ)上增加的附件主要有專用夾具、積分球和偏振器件等。專用夾具保證鏡片放置在夾具上后，中心處于光路節(jié)點(diǎn)，測量光線垂直入射并且光斑與光學(xué)中心重合，降低了定位誤差給測量結(jié)果帶來的影響。積分球是眼鏡產(chǎn)品及透鏡中心透射比測量時(shí)必不可少的附件，用于測量帶有光焦度樣品。偏振器件用于消偏振和起偏振，適用于不同偏振性能檢測。

2.1 專用夾具

為適應(yīng)不同功能尺寸的鏡片特設(shè)計(jì)專用夾具，以實(shí)現(xiàn)樣品位置調(diào)整和準(zhǔn)確定位。專用夾具包括承載平臺(tái)、壓桿和固定座，如圖3所示。承載平臺(tái)可以放置鏡片、成鏡、角度臺(tái)和接觸鏡支架，并通過螺桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降和左右移動(dòng)，移動(dòng)方向與光路方向保持垂直。承載平臺(tái)底面作為水平基準(zhǔn)保證樣品的水平位置，側(cè)面防止樣品干涉到分光光度計(jì)的參比光路（見圖2），并在、軸上加了分度值為0.1 mm的刻度尺，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡片的準(zhǔn)確定位。

樣品角度的調(diào)整可通過旋轉(zhuǎn)組件實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。樣品固定在轉(zhuǎn)盤上，放置于承載平臺(tái)（見圖3），轉(zhuǎn)盤上有角度刻線，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確定位。

圖3　專用夾具示意圖

因接觸鏡易損傷變形，故不能直接用硬物夾持，需要專門的放置容器。本文設(shè)計(jì)了接觸鏡的承載組件，如圖5所示。承載組件包括固定座、螺桿和透明盒體。透明盒體底部設(shè)V形支架，用于支撐接觸鏡并使其居中；透明盒體背部為全黑色，可吸收多余的光；中心位置開有半徑3 mm的圓孔，從而將測量光束限定于接觸鏡中心半徑3 mm的范圍內(nèi)。螺桿使透明盒體上下移動(dòng)，對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)。

圖4　旋轉(zhuǎn)組件示意圖

圖5　接觸鏡組件示意圖

2.2 積分球

積分球可將通過樣品后偏折的光線收集起來，避免光線偏離檢測器的范圍而產(chǎn)生測量誤差。此外，測量光束通過被測樣品后不是均勻的，因檢測器本身響應(yīng)度不是完全均勻的，直接照射也會(huì)帶來誤差。積分球能夠使光束在內(nèi)壁多次反射，提高均勻性，從而減小光束均勻性與檢測器的差異帶來的誤差[6]。

積分球的勻光作用與其直徑、內(nèi)壁涂層的光譜反射比、內(nèi)壁球度和開孔比等都有很大關(guān)系。積分球的直徑越大、內(nèi)壁球度越好、內(nèi)壁涂層的光譜反射比越高、開孔比越小，勻光作用就越好。此外，理論上積分球的開孔比越小越好，因?yàn)殚_孔過大，會(huì)影響積分球整體的球面度，導(dǎo)致勻光作用降低；但開孔比過小使進(jìn)入積分球的光能量較少，導(dǎo)致信噪比降低。綜合以上因素，本裝置采用150 mm直徑的積分球，開孔比約為1：25。

2.3 偏振器件

偏振器件包括消偏器和起偏器。消偏器是為了消除由于光柵引起的光束橢偏，此時(shí)的測量光束不是自然光而是部分偏振光。當(dāng)測量帶有偏振效果的鏡片時(shí)，所測的透射比會(huì)受到樣品放置旋轉(zhuǎn)角度的影響，因此需要對(duì)測量光束進(jìn)行消偏處理。消偏器主要由各種消偏棱鏡組成，其有效波長為190 nm～2600 nm。考慮到消偏后的光束如果再經(jīng)過其他光學(xué)元件，仍然會(huì)產(chǎn)生偏振成分，因此消偏器需放置在被測樣品前。

起偏器可檢測帶偏振功能鏡片的偏振效率。通過將測量光束變?yōu)榫€偏振光，旋轉(zhuǎn)起偏器能夠測出鏡片在不同旋轉(zhuǎn)角度下的透射比。起偏器由一般的偏振鏡片構(gòu)成。

3　檢測方法

本文設(shè)計(jì)的眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置根據(jù)GB10810.3[1]和JJF1106[2]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，編制數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)樣品透射比等參數(shù)的快速計(jì)算。分光光度計(jì)測量的是光譜透射比，只能給出各波長點(diǎn)的光譜透射比值，不能直接給出需要的中心透射比測量結(jié)果。各透射比參數(shù)都是光譜透射比通過一定的公式計(jì)算得到，一般做法是測量出光譜透射比后，將數(shù)據(jù)輸入公式進(jìn)行計(jì)算。由于采樣點(diǎn)比較多，手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)可能出錯(cuò)，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)，并在儀器中直接編程進(jìn)行計(jì)算，可提高效率和防止出錯(cuò)。

3.1 相關(guān)公式

可見光透射比為

色坐標(biāo)為

遮光號(hào)為

式(1)~式(3)概括了透射比檢測的基本計(jì)算類型，其他如紫外透射比、藍(lán)光透射比、Q衰減因子、接觸鏡顯色指數(shù)與之類似，不一一列出。

由式(1)~式(3)可知，眼鏡產(chǎn)品的各類透射比測量，不能處理為對(duì)各個(gè)波長光譜透射比的簡單平均，而應(yīng)該根據(jù)不同波長在人眼中的敏感度，按照其權(quán)重進(jìn)行加權(quán)積分。由于在一個(gè)測量范圍中取樣點(diǎn)是有限的，因此實(shí)際編程時(shí)需要將積分公式轉(zhuǎn)換為求和公式，式(1)可轉(zhuǎn)換為

3.2 測量結(jié)果的準(zhǔn)確性

由式(1)~式(4)可知，除了光譜透射比是由儀器直接檢測外，其他如標(biāo)準(zhǔn)光源光譜分布函數(shù)等都由CIE標(biāo)準(zhǔn)定義，因此光譜透射比的測量精度直接影響最終結(jié)果的不確定度。同時(shí)取樣點(diǎn)上的波長精度會(huì)影響光譜透射比的準(zhǔn)確性，特別是光譜曲線陡峭的情況下，1 nm的波長誤差都會(huì)導(dǎo)致2%以上的結(jié)果誤差。光譜透射比和波長的計(jì)量特性可以按照J(rèn)JG178—2007[7]的方法進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)測試，本裝置波長誤差≤0.5 nm，光譜透射比誤差≤1.5%，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖6所示。

圖6 光譜透射比曲線圖

3.3 特殊功能的實(shí)現(xiàn)方式

3.3.1 護(hù)目鏡深色濾光片極小光透射比檢測

極小光透射比很小，需盡量增加檢測器的分辨率和準(zhǔn)確度。首先裝置掃描速度越慢，檢測器積分時(shí)間越長，能夠改善信噪比，透射比在1×10-4～1×10-6的樣品積分時(shí)間一般設(shè)為10 s；其次透射比小會(huì)導(dǎo)致到達(dá)檢測器的能量較低，如果使用小的狹縫寬度，則信噪會(huì)很大，影響準(zhǔn)確性，可以選擇5 nm左右的狹縫寬度；再次使用衰減片（1%或10%）讓參比光路與樣品光路的光能量接近，提高測試的準(zhǔn)確性。具體檢測步驟為：1）在無樣品和衰減片的條件下自動(dòng)調(diào)零；2）無樣品，在樣品光路放上衰減片，測量衰減片的標(biāo)準(zhǔn)值；3）樣品光路和參比光路都放上衰減片自動(dòng)調(diào)零；4）放上樣品，只在參比光路放上衰減片，測量結(jié)果乘以步驟2）的衰減片標(biāo)準(zhǔn)值即為樣品透射比值。

3.3.2 太陽鏡鏡片寬角散射光

按照GB/T2410—2008[8]對(duì)霧度的要求進(jìn)行測定。但由于分光光度計(jì)和霧度儀結(jié)構(gòu)的差異，需使用標(biāo)準(zhǔn)霧度片進(jìn)行校正。

3.3.3 角膜接觸鏡小區(qū)域透射比

透明盒體先盛滿符合要求的鹽溶液，將其放入樣品光路并將檢測裝置歸零。檢測過程中應(yīng)保證測量光束位于透明盒體所開半徑3 mm小孔中心位置（通過調(diào)節(jié)光闌高度和狹縫的大小從而改變光斑的高度和大?。辉賹⒔佑|鏡樣品放入透明盒體；所測透射比即為角膜接觸鏡小區(qū)域的透射比值。

3.3.4 鏡片透射比均勻性

利用專用夾具對(duì)樣品的定位作用，測量鏡片半徑10 mm內(nèi)不同點(diǎn)的透射比，取最大值和最小值的差值作為鏡片透射比均勻性結(jié)果。

3.3.5 偏振鏡片檢測

利用消偏器消除光束橢偏產(chǎn)生的近似自然光，能一次性檢測偏振鏡片的透射比。通過起偏器產(chǎn)生線偏光，旋轉(zhuǎn)起偏器測出偏振鏡片不同旋轉(zhuǎn)角度下的最大透射比和最小透射比，從而計(jì)算偏振效率。

4 結(jié)語

本文根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)規(guī)范和國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一般眼鏡、接觸鏡和護(hù)目鏡的不同要求，設(shè)計(jì)一種眼鏡產(chǎn)品光學(xué)性能專用檢測裝置。本裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同尺寸鏡片夾持及準(zhǔn)確定位；通過組合不同的檢測組件并調(diào)整掃描速度、狹縫寬度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測不同類型眼鏡產(chǎn)品透射比、均勻性和寬角散射光等光學(xué)性能的要求；檢測結(jié)果可自動(dòng)計(jì)算出不同光學(xué)性能參數(shù)，提高了檢測效率。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB10810.3—2006眼鏡鏡片及相關(guān)眼鏡產(chǎn)品第3部分:透射比規(guī)范及測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1106—2003眼鏡產(chǎn)品透射比測量裝置校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T3609.1—2008 職業(yè)眼面部防護(hù)焊接防護(hù)第1部分:焊接防護(hù)具[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 11417.5—2012眼科光學(xué)接觸鏡第5部分:光學(xué)性能試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[5] 高明亮,孫劼.眼鏡產(chǎn)品透射比測量中相關(guān)問題的研究[J].現(xiàn)代測量與實(shí)驗(yàn)室管理,2005(3):32-34.

[6] 湯順青,朱正芳.積分球的系統(tǒng)誤差分析[J].計(jì)量技術(shù),2005 (12):30-32.

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG178—2007紫外、可見、近紅外分光光度計(jì)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出社,2007.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 2410—2008透明塑料透光率和霧度的測定[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出社,2008.

Design of a Special Detecting Device for Optical Performance of Spectacle Products

Wang Wei1Li Zhide2Cai Zhenwei3

(Dongguan Branch of Guangdong Institute of Metrology)

According to relevant theories, a special optical performance testing device is designed for spectacles. Double beam and integral ball are used to improve the detection accuracy. Fixture is designed to be suitable for all kinds of different types of spectacles, make sure the-axis positioning error control at ±0.1 mm and the Angle positioning error control at 0.1°; Through programming, multi-parameter detection is reached at one time, and the detection efficiency is improved.

Spectacle Products;Optical Performance of Lenses; Detection Device

王偉，男，1983 年生，碩士，工程師，主要研究方向：眼鏡檢測。E-mail: 592021295@qq.com