一种眼镜产品光学性能专用检测装置的设计

王伟 李志得 蔡振威



一种眼镜产品光学性能专用检测装置的设计

王伟 李志得 蔡振威

（广东省计量科学研究院东莞计量院）

根据眼镜产品相关标准的要求，设计一种眼镜产品光学性能专用检测装置。利用双光束、积分球提高检测准确度；设计适用于不同类型眼镜片的夹具，使眼镜-轴定位误差控制在±0.1 mm，角度定位误差控制在±0.1°；通过编程计算实现多参数一次性检测，提高检测效率。

眼镜产品；镜片光学性能；检测装置

0 引言

目前，市场上通用的眼镜检测设备只能检测镜片透射比和交通信号识别等指标。根据国家相关标准[1-4]要求，本文设计了一种眼镜产品光学性能专用检测装置，既能检测通用指标，又能检测镜片特殊光学性能指标，如，护目镜深色滤光片极小光透射比（分辨力低至1×10-8）、太阳镜镜片宽角散射光、角膜接触镜小区域透射比（半径小于3 mm区域）和镜片透射比均匀性（定位最大允差±0.1 mm）等。

1 装置结构

检测镜片透射比的方法较多，考虑到需检测紫外光、可见光和蓝光等不同波段的光，一般采用分光光度计的方法。分光光度计按结构分为单光束和双光束2种。

单光束仪器对一个样品需测量2次，优点是结构紧凑，但由于光源2次测量的能量有细微差异，造成测量准确度难以保持。双光束仪器将测量光束分为2条，其中一条为参比光路，另一条为样品光路；只需在开机后进行1次调零校准即可，不需要像单光束仪器一样，每次测量样品前都进行参比测量。

双光束仪器结构相对复杂，体积较大，但样品室也比较宽大，可以测量大尺寸样品。相较于单光束仪器，双光束仪器在测量时参比与样品同时测量，有效避免光源能量漂移对测量结果产生的影响，提高仪器的测量准确度。为达到高准确度和满足大尺寸样品的需要，本文设计的眼镜产品光学性能专用检测装置采用双光束结构，如图1所示。由于透射光学元件的色散会影响分光光度计的准确性，因此尽量用反射光学元件代替透射光学元件。

图1　眼镜产品光学性能专用检测装置原理图

由于眼镜片表面带有曲率，大部分还带有一定的屈光度，光线经过镜片不可避免地产生偏折或会聚发散。对于传统的分光光度计来说，这将导致光斑在光电探测器上位置偏移或形状变化，从而导致测量值偏离实际值[5]。解决方法：1）在检测器前加积分球；2）设计专用的夹持装置，通过精确定位，保证样品的光轴与测量光束在一条直线上；3）通过调整狭缝宽度和光阑高度来调节光束的大小位置，从而使入射口的光斑与镜片大小相适应。通过单色器的调整使测量光束成为明显的白光束，可以清晰直观地观察到测量光束是否完全被接收。这个功能对测量带光焦度的样品非常有效。测量前，将样品放置在光路中，光斑完全进入接收器，这样保证测量光束透过样品后能被完全接收，确保测量的准确性。眼镜产品光学性能专用检测装置光路示意图如图2所示。

图2　眼镜产品光学性能专用检测装置光路示意图

2 各组件规格及设计原理

眼镜产品光学性能专用检测装置在分光光度计的基础上增加的附件主要有专用夹具、积分球和偏振器件等。专用夹具保证镜片放置在夹具上后，中心处于光路节点，测量光线垂直入射并且光斑与光学中心重合，降低了定位误差给测量结果带来的影响。积分球是眼镜产品及透镜中心透射比测量时必不可少的附件，用于测量带有光焦度样品。偏振器件用于消偏振和起偏振，适用于不同偏振性能检测。

2.1 专用夹具

为适应不同功能尺寸的镜片特设计专用夹具，以实现样品位置调整和准确定位。专用夹具包括承载平台、压杆和固定座，如图3所示。承载平台可以放置镜片、成镜、角度台和接触镜支架，并通过螺杆旋转实现平台的升降和左右移动，移动方向与光路方向保持垂直。承载平台底面作为水平基准保证样品的水平位置，侧面防止样品干涉到分光光度计的参比光路（见图2），并在、轴上加了分度值为0.1 mm的刻度尺，实现对镜片的准确定位。

样品角度的调整可通过旋转组件实现，如图4所示。样品固定在转盘上，放置于承载平台（见图3），转盘上有角度刻线，可实现旋转角度的准确定位。

图3　专用夹具示意图

因接触镜易损伤变形，故不能直接用硬物夹持，需要专门的放置容器。本文设计了接触镜的承载组件，如图5所示。承载组件包括固定座、螺杆和透明盒体。透明盒体底部设V形支架，用于支撑接触镜并使其居中；透明盒体背部为全黑色，可吸收多余的光；中心位置开有半径3 mm的圆孔，从而将测量光束限定于接触镜中心半径3 mm的范围内。螺杆使透明盒体上下移动，对位置进行微调。

图4　旋转组件示意图

图5　接触镜组件示意图

2.2 积分球

积分球可将通过样品后偏折的光线收集起来，避免光线偏离检测器的范围而产生测量误差。此外，测量光束通过被测样品后不是均匀的，因检测器本身响应度不是完全均匀的，直接照射也会带来误差。积分球能够使光束在内壁多次反射，提高均匀性，从而减小光束均匀性与检测器的差异带来的误差[6]。

积分球的匀光作用与其直径、内壁涂层的光谱反射比、内壁球度和开孔比等都有很大关系。积分球的直径越大、内壁球度越好、内壁涂层的光谱反射比越高、开孔比越小，匀光作用就越好。此外，理论上积分球的开孔比越小越好，因为开孔过大，会影响积分球整体的球面度，导致匀光作用降低；但开孔比过小使进入积分球的光能量较少，导致信噪比降低。综合以上因素，本装置采用150 mm直径的积分球，开孔比约为1：25。

2.3 偏振器件

偏振器件包括消偏器和起偏器。消偏器是为了消除由于光栅引起的光束椭偏，此时的测量光束不是自然光而是部分偏振光。当测量带有偏振效果的镜片时，所测的透射比会受到样品放置旋转角度的影响，因此需要对测量光束进行消偏处理。消偏器主要由各种消偏棱镜组成，其有效波长为190 nm～2600 nm。考虑到消偏后的光束如果再经过其他光学元件，仍然会产生偏振成分，因此消偏器需放置在被测样品前。

起偏器可检测带偏振功能镜片的偏振效率。通过将测量光束变为线偏振光，旋转起偏器能够测出镜片在不同旋转角度下的透射比。起偏器由一般的偏振镜片构成。

3　检测方法

本文设计的眼镜产品光学性能专用检测装置根据GB10810.3[1]和JJF1106[2]等标准规范的要求，编制数据处理软件，实现样品透射比等参数的快速计算。分光光度计测量的是光谱透射比，只能给出各波长点的光谱透射比值，不能直接给出需要的中心透射比测量结果。各透射比参数都是光谱透射比通过一定的公式计算得到，一般做法是测量出光谱透射比后，将数据输入公式进行计算。由于采样点比较多，手动输入数据可能出错，通过计算机自动读取数据，并在仪器中直接编程进行计算，可提高效率和防止出错。

3.1 相关公式

可见光透射比为

色坐标为

遮光号为

式(1)~式(3)概括了透射比检测的基本计算类型，其他如紫外透射比、蓝光透射比、Q衰减因子、接触镜显色指数与之类似，不一一列出。

由式(1)~式(3)可知，眼镜产品的各类透射比测量，不能处理为对各个波长光谱透射比的简单平均，而应该根据不同波长在人眼中的敏感度，按照其权重进行加权积分。由于在一个测量范围中取样点是有限的，因此实际编程时需要将积分公式转换为求和公式，式(1)可转换为

3.2 测量结果的准确性

由式(1)~式(4)可知，除了光谱透射比是由仪器直接检测外，其他如标准光源光谱分布函数等都由CIE标准定义，因此光谱透射比的测量精度直接影响最终结果的不确定度。同时取样点上的波长精度会影响光谱透射比的准确性，特别是光谱曲线陡峭的情况下，1 nm的波长误差都会导致2%以上的结果误差。光谱透射比和波长的计量特性可以按照JJG178—2007[7]的方法进行验证。经测试，本装置波长误差≤0.5 nm，光谱透射比误差≤1.5%，完全符合标准要求，如图6所示。

图6 光谱透射比曲线图

3.3 特殊功能的实现方式

3.3.1 护目镜深色滤光片极小光透射比检测

极小光透射比很小，需尽量增加检测器的分辨率和准确度。首先装置扫描速度越慢，检测器积分时间越长，能够改善信噪比，透射比在1×10-4～1×10-6的样品积分时间一般设为10 s；其次透射比小会导致到达检测器的能量较低，如果使用小的狭缝宽度，则信噪会很大，影响准确性，可以选择5 nm左右的狭缝宽度；再次使用衰减片（1%或10%）让参比光路与样品光路的光能量接近，提高测试的准确性。具体检测步骤为：1）在无样品和衰减片的条件下自动调零；2）无样品，在样品光路放上衰减片，测量衰减片的标准值；3）样品光路和参比光路都放上衰减片自动调零；4）放上样品，只在参比光路放上衰减片，测量结果乘以步骤2）的衰减片标准值即为样品透射比值。

3.3.2 太阳镜镜片宽角散射光

按照GB/T2410—2008[8]对雾度的要求进行测定。但由于分光光度计和雾度仪结构的差异，需使用标准雾度片进行校正。

3.3.3 角膜接触镜小区域透射比

透明盒体先盛满符合要求的盐溶液，将其放入样品光路并将检测装置归零。检测过程中应保证测量光束位于透明盒体所开半径3 mm小孔中心位置（通过调节光阑高度和狭缝的大小从而改变光斑的高度和大小）；再将接触镜样品放入透明盒体；所测透射比即为角膜接触镜小区域的透射比值。

3.3.4 镜片透射比均匀性

利用专用夹具对样品的定位作用，测量镜片半径10 mm内不同点的透射比，取最大值和最小值的差值作为镜片透射比均匀性结果。

3.3.5 偏振镜片检测

利用消偏器消除光束椭偏产生的近似自然光，能一次性检测偏振镜片的透射比。通过起偏器产生线偏光，旋转起偏器测出偏振镜片不同旋转角度下的最大透射比和最小透射比，从而计算偏振效率。

4 结语

本文根据国家相关标准、校准规范和国际标准对一般眼镜、接触镜和护目镜的不同要求，设计一种眼镜产品光学性能专用检测装置。本装置实现了对不同尺寸镜片夹持及准确定位；通过组合不同的检测组件并调整扫描速度、狭缝宽度等参数，实现检测不同类型眼镜产品透射比、均匀性和宽角散射光等光学性能的要求；检测结果可自动计算出不同光学性能参数，提高了检测效率。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB10810.3—2006眼镜镜片及相关眼镜产品第3部分:透射比规范及测量方法[S].北京:中国标准出版社,2006.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.JJF1106—2003眼镜产品透射比测量装置校准规范[S].北京:中国标准出版社,2003.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T3609.1—2008 职业眼面部防护焊接防护第1部分:焊接防护具[S].北京:中国标准出版社, 2008.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 11417.5—2012眼科光学接触镜第5部分:光学性能试验方法[S].北京:中国标准出版社,2012.

[5] 高明亮,孙劼.眼镜产品透射比测量中相关问题的研究[J].现代测量与实验室管理,2005(3):32-34.

[6] 汤顺青,朱正芳.积分球的系统误差分析[J].计量技术,2005 (12):30-32.

[7] 国家质量监督检验检疫总局.JJG178—2007紫外、可见、近红外分光光度计[S].北京:中国标准出社,2007.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 2410—2008透明塑料透光率和雾度的测定[S].北京:中国标准出社,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

王伟，男，1983 年生，硕士，工程师，主要研究方向：眼镜检测。E-mail: 592021295@qq.com