一種眼鏡產品光學性能專用檢測裝置的設計

王偉 李志得 蔡振威

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一種眼鏡產品光學性能專用檢測裝置的設計

王偉 李志得 蔡振威

（廣東省計量科學研究院東莞計量院）

根據眼鏡產品相關標準的要求，設計一種眼鏡產品光學性能專用檢測裝置。利用雙光束、積分球提高檢測準確度；設計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°；通過編程計算實現多參數一次性檢測，提高檢測效率。

眼鏡產品；鏡片光學性能；檢測裝置

0 引言

目前，市場上通用的眼鏡檢測設備只能檢測鏡片透射比和交通信號識別等指標。根據國家相關標準[1-4]要求，本文設計了一種眼鏡產品光學性能專用檢測裝置，既能檢測通用指標，又能檢測鏡片特殊光學性能指標，如，護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、角膜接觸鏡小區域透射比（半徑小于3 mm區域）和鏡片透射比均勻性（定位最大允差±0.1 mm）等。

1 裝置結構

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

單光束儀器對一個樣品需測量2次，優點是結構緊湊，但由于光源2次測量的能量有細微差異，造成測量準確度難以保持。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；只需在開機后進行1次調零校準即可，不需要像單光束儀器一樣，每次測量樣品前都進行參比測量。

雙光束儀器結構相對復雜，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參比與樣品同時測量，有效避免光源能量漂移對測量結果產生的影響，提高儀器的測量準確度。為達到高準確度和滿足大尺寸樣品的需要，本文設計的眼鏡產品光學性能專用檢測裝置采用雙光束結構，如圖1所示。由于透射光學元件的色散會影響分光光度計的準確性，因此盡量用反射光學元件代替透射光學元件。

圖1　眼鏡產品光學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，光線經過鏡片不可避免地產生偏折或會聚發散。對于傳統的分光光度計來說，這將導致光斑在光電探測器上位置偏移或形狀變化，從而導致測量值偏離實際值[5]。解決方法：1）在檢測器前加積分球；2）設計專用的夾持裝置，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）通過調整狹縫寬度和光闌高度來調節光束的大小位置，從而使入射口的光斑與鏡片大小相適應。通過單色器的調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。這個功能對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，確保測量的準確性。眼鏡產品光學性能專用檢測裝置光路示意圖如圖2所示。

圖2　眼鏡產品光學性能專用檢測裝置光路示意圖

2 各組件規格及設計原理

眼鏡產品光學性能專用檢測裝置在分光光度計的基礎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，中心處于光路節點，測量光線垂直入射并且光斑與光學中心重合，降低了定位誤差給測量結果帶來的影響。積分球是眼鏡產品及透鏡中心透射比測量時必不可少的附件，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

為適應不同功能尺寸的鏡片特設計專用夾具，以實現樣品位置調整和準確定位。專用夾具包括承載平臺、壓桿和固定座，如圖3所示。承載平臺可以放置鏡片、成鏡、角度臺和接觸鏡支架，并通過螺桿旋轉實現平臺的升降和左右移動，移動方向與光路方向保持垂直。承載平臺底面作為水平基準保證樣品的水平位置，側面防止樣品干涉到分光光度計的參比光路（見圖2），并在、軸上加了分度值為0.1 mm的刻度尺，實現對鏡片的準確定位。

樣品角度的調整可通過旋轉組件實現，如圖4所示。樣品固定在轉盤上，放置于承載平臺（見圖3），轉盤上有角度刻線，可實現旋轉角度的準確定位。

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。本文設計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。螺桿使透明盒體上下移動，對位置進行微調。

圖4　旋轉組件示意圖

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，因檢測器本身響應度不是完全均勻的，直接照射也會帶來誤差。積分球能夠使光束在內壁多次反射，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、內壁涂層的光譜反射比、內壁球度和開孔比等都有很大關系。積分球的直徑越大、內壁球度越好、內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，因為開孔過大，會影響積分球整體的球面度，導致勻光作用降低；但開孔比過小使進入積分球的光能量較少，導致信噪比降低。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，此時的測量光束不是自然光而是部分偏振光。當測量帶有偏振效果的鏡片時，所測的透射比會受到樣品放置旋轉角度的影響，因此需要對測量光束進行消偏處理。消偏器主要由各種消偏棱鏡組成，其有效波長為190 nm～2600 nm?？紤]到消偏后的光束如果再經過其他光學元件，仍然會產生偏振成分，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。通過將測量光束變為線偏振光，旋轉起偏器能夠測出鏡片在不同旋轉角度下的透射比。起偏器由一般的偏振鏡片構成。

3　檢測方法

本文設計的眼鏡產品光學性能專用檢測裝置根據GB10810.3[1]和JJF1106[2]等標準規范的要求，編制數據處理軟件，實現樣品透射比等參數的快速計算。分光光度計測量的是光譜透射比，只能給出各波長點的光譜透射比值，不能直接給出需要的中心透射比測量結果。各透射比參數都是光譜透射比通過一定的公式計算得到，一般做法是測量出光譜透射比后，將數據輸入公式進行計算。由于采樣點比較多，手動輸入數據可能出錯，通過計算機自動讀取數據，并在儀器中直接編程進行計算，可提高效率和防止出錯。

3.1 相關公式

可見光透射比為

色坐標為

遮光號為

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

由式(1)~式(3)可知，眼鏡產品的各類透射比測量，不能處理為對各個波長光譜透射比的簡單平均，而應該根據不同波長在人眼中的敏感度，按照其權重進行加權積分。由于在一個測量范圍中取樣點是有限的，因此實際編程時需要將積分公式轉換為求和公式，式(1)可轉換為

3.2 測量結果的準確性

由式(1)~式(4)可知，除了光譜透射比是由儀器直接檢測外，其他如標準光源光譜分布函數等都由CIE標準定義，因此光譜透射比的測量精度直接影響最終結果的不確定度。同時取樣點上的波長精度會影響光譜透射比的準確性，特別是光譜曲線陡峭的情況下，1 nm的波長誤差都會導致2%以上的結果誤差。光譜透射比和波長的計量特性可以按照JJG178—2007[7]的方法進行驗證。經測試，本裝置波長誤差≤0.5 nm，光譜透射比誤差≤1.5%，完全符合標準要求，如圖6所示。

圖6 光譜透射比曲線圖

3.3 特殊功能的實現方式

3.3.1 護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確度。首先裝置掃描速度越慢，檢測器積分時間越長，能夠改善信噪比，透射比在1×10-4～1×10-6的樣品積分時間一般設為10 s；其次透射比小會導致到達檢測器的能量較低，如果使用小的狹縫寬度，則信噪會很大，影響準確性，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，提高測試的準確性。具體檢測步驟為：1）在無樣品和衰減片的條件下自動調零；2）無樣品，在樣品光路放上衰減片，測量衰減片的標準值；3）樣品光路和參比光路都放上衰減片自動調零；4）放上樣品，只在參比光路放上衰減片，測量結果乘以步驟2）的衰減片標準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]對霧度的要求進行測定。但由于分光光度計和霧度儀結構的差異，需使用標準霧度片進行校正。

3.3.3 角膜接觸鏡小區域透射比

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（通過調節光闌高度和狹縫的大小從而改變光斑的高度和大?。?；再將接觸鏡樣品放入透明盒體；所測透射比即為角膜接觸鏡小區域的透射比值。

3.3.4 鏡片透射比均勻性

利用專用夾具對樣品的定位作用，測量鏡片半徑10 mm內不同點的透射比，取最大值和最小值的差值作為鏡片透射比均勻性結果。

3.3.5 偏振鏡片檢測

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

4 結語

本文根據國家相關標準、校準規范和國際標準對一般眼鏡、接觸鏡和護目鏡的不同要求，設計一種眼鏡產品光學性能專用檢測裝置。本裝置實現了對不同尺寸鏡片夾持及準確定位；通過組合不同的檢測組件并調整掃描速度、狹縫寬度等參數，實現檢測不同類型眼鏡產品透射比、均勻性和寬角散射光等光學性能的要求；檢測結果可自動計算出不同光學性能參數，提高了檢測效率。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB10810.3—2006眼鏡鏡片及相關眼鏡產品第3部分:透射比規范及測量方法[S].北京:中國標準出版社,2006.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1106—2003眼鏡產品透射比測量裝置校準規范[S].北京:中國標準出版社,2003.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T3609.1—2008 職業眼面部防護焊接防護第1部分:焊接防護具[S].北京:中國標準出版社, 2008.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 11417.5—2012眼科光學接觸鏡第5部分:光學性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2012.

[5] 高明亮,孫劼.眼鏡產品透射比測量中相關問題的研究[J].現代測量與實驗室管理,2005(3):32-34.

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

[7] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG178—2007紫外、可見、近紅外分光光度計[S].北京:中國標準出社,2007.

[8] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 2410—2008透明塑料透光率和霧度的測定[S].北京:中國標準出社,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