多焦点镜片检测技术的系统研究
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摘 要
作为人体的重要感官器官，眼睛健康倍受人们重视。随着现代社会人们对眼
睛的使用越来越频繁，又加之各种辐射对眼睛的伤害，使得眼镜成为矫正视力的
有力器件。眼镜片也经历了单焦点镜片、双焦点和三焦点镜片、球面和非球面镜
片以及多焦点镜片的发展，并且多焦点镜片由于其良好的佩戴性和舒适性，逐渐
被人们所接受并实际应用。关于镜片的检测，现在的镜片检测技术却仍然停留在
单点测量或小区域测量上，而多焦点镜片则是一种非轴对称的回转面，原有的测
量仪器很难得到其整个面型的精确测量。镜片新技术的出现也彻底颠覆了原有的
测量方法，因此研究新的测量技术成为必然趋势。
基于泰伯效应的莫尔条纹畸变技术是一种新的镜片检测方法。本文所用的工
作原理如下：在平行光和郎奇光栅之间放置待测眼镜片，当平行光照射到郎奇光
栅后会在周期位置上产生泰伯像，在泰伯像位置放置另一郎奇光栅，通过光栅的
位置变化，会在后面形成清晰的莫尔条纹。研究得到待测镜片与条纹的倾角有一
定的关系，从而就实现了眼镜片参数的检测。
本文实际搭建了基于泰伯效应的莫尔条纹畸变技术检测眼镜片参数的整个测
量系统，推导了镜片参数的计算公式。文中研究了影响镜片焦度测量精度的因素，
分析了光学元器件的不同参数对测量结果的影响，重点分析了光栅夹角对测量的
影响，设计了两个角度模式进行测量并对比分析误差情况。最后通过图像采集系
统得到普通镜片和多焦点镜片的莫尔条纹图像，通过图像处理和算法得到了待测
眼镜片的参数。通过与标准镜片进行对比，证明了本方法的有效性和实用性。
关键字：多焦点镜片 泰伯效应 郎奇光栅 莫尔条纹 图像处理
ABSTRACT
Nowadays, peoples pay much more attention to the health of eyes which is an
important sensing organ. Along with the social development, the use of eyes is more
and more frequent. However, peoples suffer from many kinds of radiation which will
cause damages to the eyes. Therefore, the glasses become a very powerful device that
can correct vision. The development of glass lens have experienced single focus lens,
double focus, three focus lens, the sphere lens, aspherical lenses and the progressive
lenses. Then the progressive lenses was gradually enjoyed by peoples due to its good
wear resistance and comfort. The present technologies of lens test are still for the single
focus and small area. The progressive focus lens are a kind of surface of revolution with
axis-asymmetry, and the traditional test apparatus can hardly get the whole lens profile.
The emergence of novel means have overturned the traditional ones, accordingly the
research of new test technologies will be predominant in future.
Moiré defection technology based on Talbot effect is one of new ways for lens test.
The present paper will illustrate the principle as following the lens being tested is placed
between the parallel light and the Ronchi grating when the light propagate irradiate on
the grating, there will be Talbot image on the period position, then another Ronchi
grating is placed on the image position. If the grating is placed on a certain position,
clear moiré fringe will come out in the back. Hence the lens and the obliquity of fringe
have a certain relationship, the lens parameters can be acquired.
We have set up the system of moiré defection technology based on Talbot effect
for testing the lens parameters, and deduced the fomula for calculating the lens
parameters. This paper have investigated the factors which affect the test precision, and
analyzed the influences of optical devices on the test result. We focused on the analysis
of grating include angle that affect the system, and designed two angle modes, then test
them and analysis the errors. In the end, employing the image data acquisition system,
we get the moiré fringe image of common lens and progressive lens. Through the image
data processing lenses parameters can be acquired. The contrast to standard lens have
testified the available and practicability of this method.
Keyword：processing lenses, tablot effect, Ronchi grating, moiré fringe, image
processing
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 课题研究的背景及意义 ........................................1
§1.2 国内外研究状况 ..............................................2
§1.3 论文的主要研究内容 ..........................................5
第二章 多焦点镜片的视光学研究及测量方法 ............................ 6
§2.1 屈光不正视光学 ..............................................6
§2.1.1 单光球面和非球面镜片
....................................
6
§2.1.2 双焦点和三焦点镜片
......................................
9
§2.1.3 多焦点镜片
.............................................
11
§2.2 镜片测量参数 ...............................................13
§2.2.1 焦度
...................................................
13
§2.2.2 棱镜度
.................................................
13
§2.2.3 阅读附加
...............................................
13
§2.3 镜片的检测技术研究 .........................................14
§2.3.1 自动焦度计
.............................................
14
§2.3.2 哈特曼法
...............................................
15
§2.3.3 傅里叶滤波法
...........................................
16
§2.3.4 基于泰伯效应镜片焦度测量法
.............................
17
第三章 基于泰伯效应的镜片焦度的测量原理研究 ....................... 19
§3.1 泰伯效应 ...................................................19
§3.1.1 球面波的干涉理论
.......................................
19
§3.1.2 泰伯效应的应用
.........................................
21
§3.2 莫尔条纹及其原理 ...........................................21
§3.2.1 几何光学原理
...........................................
21
§3.2.2 衍射干涉原理[31]
.........................................
22
§3.2.3 频谱分析原理[32]
.........................................
23
§3.2.4 莫尔条纹的应用
.........................................
25
§3.3 基于泰伯效应的莫尔畸变技术原理 .............................25
§3.3.1 基于泰伯效应的莫尔条纹在测量多焦点镜片的理论研究
.......
27
§3.3.2 基于泰伯效应的莫尔条纹与镜片焦度的关系
.................
27
第四章 系统总体方案 ............................................... 30
§4.1 泰伯效应莫尔畸变技术的系统构成 .............................30
§4.2 系统主要模块 ............................................... 31
§4.2.1 系统光源
...............................................
31
§4.2.2 准直扩束系统
...........................................
31
§4.3 其他测量参数选择 ...........................................33
§4.3.1 泰伯阶数的选取
.........................................
33
§4.3.2 光栅周期的选择
.........................................
34
§4.3.3 两光栅夹角的选择
.......................................
35
§4.4 图像采集系统 ...............................................35
§4.4.1 摄像机
.................................................
35
§4.4.2 图像采集卡
.............................................
36
第五章 系统测试结果分析 ........................................... 37
§5.1 图像处理 ...................................................38
§5.1.1 均值滤波
...............................................
38
§5.1.2 中值滤波
...............................................
38
§5.1.3 直方图及直方图均衡化
...................................
39
§5.1.4 图像分割
...............................................
40
§5.1.5 图像细化
...............................................
42
§5.2 条纹倾角计算 ...............................................43
§5.2.1 条纹中心线
.............................................
43
§5.2.2 最小二值法求莫尔条纹倾角
...............................
43
§5.3 镜片的检测及分析 ...........................................44
§5.3.1 普通镜片测量结果
.......................................
44
§5.3.2 多焦点镜片测试结果
.....................................
46
§5.3.3 测量误差讨论
...........................................
46
第六章 总结与展望 ................................................ 47
参考文献 .......................................................... 49
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 52
致 谢 .......................................................... 53
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的背景及意义
随着生活水平的提高和科技的发展，眼睛作为重要的感觉器官倍受关注。作
为一种特殊的医疗器具，眼镜在矫正眼睛视力、保护眼睛健康和提高视觉功能上
发挥了重要作用，眼镜也是视光学中主要的光学矫正方法[1]。
中国早在春秋时期就有了关于眼镜的介绍，南宋时期就发明了眼镜[2]。十三世
纪中期，英国学者培根因为雨点而产生灵感，用玻璃球来解决视力问题，1280 年
阿马提第一次制作成完整的眼镜。至此，人类有了能够更好的解决视力模糊的方
法。
科技的发展和技术的进步虽然方便了人们的生活，但在一定程度上也加大了
人们的用眼负担。社会的逐渐老龄化，越来越多的老年人因为“老花”这种生理
现象给生活带来很多不便。据统计，我国大约有 20%的人需要进行老视矫正。各
种手持娱乐设备、工作中不得不面对的电脑，导致青年人的用眼负担更是雪上加
霜。与此同时，青少年由于课业繁重及不当的用眼习惯也加重了眼睛的负担，加
剧了视疲劳，造成了青少年学生近视度数增长加快。因此，各种视力矫正镜片成
为人们生活中的必需品。
经过长期的发展，眼镜逐渐发展成能够针对不同的视力进行矫正。眼镜按照
功能划分：有矫正看近模糊的近视镜，有矫正看远模糊的远视镜，有矫正因生理
原因而产生老花现象的老花镜。按照镜片结构划分：镜面上只有一个焦度的单焦
度镜片[4]，镜面有两个或三个焦度的双焦度镜片和三焦度镜片，镜面含三个或更多
焦度的多焦点镜片。单焦点镜片因结构简单、成本低仍是现在使用最多的镜片，
双焦点和三焦点镜片虽然能够解决单焦点镜片不能同时看远和看近的问题，但因
存在视野的重叠或缺失而逐渐被淘汰，多焦点镜片能够在同时看远和看近的情况
下不会发生视野的跳变而被越来越多的人接受。
多焦点镜片的设计已经经历了 5代的发展，在产品结构和性能上都经受了各
种考验。在国外，已经有越来越多的人认识到多焦点镜片给他们的生活带来的各
种便利。在发达国家的屈光不正人群中，超过 50%的人在使用多焦点镜片进行视
力矫正，可以说多焦点镜片在发达国外已经达到了普及状态。在国内，虽然多焦
点镜片进入国内市场的时间不长，但随着视光学的普及，更多的人意识到视力健
康的重要性，使得多焦点镜片在国内有了快速发展。
多焦点镜片检测技术的系统研究
2
而针对不同的用眼人群，对各自眼镜的需求又表现出很大的差异性。比如：
青少年因为用眼不正确导致近视的发生，而又因为自控能力不足更加大了近视度
数的增加。因此，针对青少年人群设计的眼镜需要能够缓解用眼疲劳，延缓近视
度数增长的速度。对于成年人，由于信息社会的不断发展，手机、视频、网络、
报纸等也加大了成年人的用眼疲劳。针对成年人群设计的眼镜更多的需求就是能
够减缓视觉疲劳。而针对老年人，由于老花的原因给生活带来了诸多不便，有时
需要自带两幅眼镜，增加了额外的烦恼，因此老年人急需一副眼镜能够同时解决
视远和视近的问题。
镜片产业的不断发展，要求镜片的检测技术也需要跟上时代步伐。镜片检测
仪器虽经历二三十年的发展，但大部分仍停留在基于单点测量或小区域测量的原
理，对整个面型的测量标定不够，特别是对多焦点镜片的测量，有较大的局限性。
另一方面，关于镜片的检测标准国际上又开始了更为全面的标定，据了解，国际
标准已完成报批，正等待最好的发布。因此，对于眼镜大国，我们更需要找到新
的测量方法，以弥补我国在此仪器科学的落后。
§1.2 国内外研究状况
眼镜片的检测设备是眼镜行业最为重要的组成部分，决定着整个行业是否能
够健康发展。同时，眼科设备也有利于眼镜业的技术创新，正是由于眼科设备的
不断发展，推动着眼镜设计的不断进步，才有了更加符合人们佩戴的眼镜。在每
年的国际眼科设备展览会上，眼科仪器的繁荣发展更是整个行业的一大亮点，各
种先进的眼科设备也是百花齐放，人们在不同的设备厂商间驻足观看，选择适合
自己的仪器设备。由此，整个眼镜行业的关注点也转移到眼科设备是否能够更好
的做足产业升级发展。而对现在行业设备的发展评估和以后的调研、探讨，对于
正确认识和促进该领域的发展，不无裨益[5]。
镜片的推陈出新，要求眼镜片的检测技术也要不断发展。但国内对眼镜片的
测量还主要是基于单点测量原理的焦度计[6]，由于其原理简单，易于小型化成仪器，
一直是镜片测量的首选仪器。在对镜片进行测量时，必须使测量光与镜片的光学
中心对齐，因此，这种方法对单光镜片比较有效。但多焦点镜片，其光学中心不
再是镜片的几何中心，镜片有三个或以上焦度组成，面型也变成了非轴对称的回
转面，镜片焦度不再单一化、规范化。现有焦度计只能实现单点或小区域的测量，
在测量多焦点镜片时，必须通过镜片的移动来找到镜片小区域的焦度进行测量，
然而这种方法仅能得到少数点和母线的焦度信息，对多焦点镜片的焦度评价具有
很大的局限性。因此，针对多焦点镜片的特性，需要设计能够实现一次性测量得
摘要：
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摘要作为人体的重要感官器官，眼睛健康倍受人们重视。随着现代社会人们对眼睛的使用越来越频繁，又加之各种辐射对眼睛的伤害，使得眼镜成为矫正视力的有力器件。眼镜片也经历了单焦点镜片、双焦点和三焦点镜片、球面和非球面镜片以及多焦点镜片的发展，并且多焦点镜片由于其良好的佩戴性和舒适性，逐渐被人们所接受并实际应用。关于镜片的检测，现在的镜片检测技术却仍然停留在单点测量或小区域测量上，而多焦点镜片则是一种非轴对称的回转面，原有的测量仪器很难得到其整个面型的精确测量。镜片新技术的出现也彻底颠覆了原有的测量方法，因此研究新的测量技术成为必然趋势。基于泰伯效应的莫尔条纹畸变技术是一种新的镜片检测方法。本文所用的工...
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