基于莫尔偏折技术的镜片屈光度测量的研究

论文摘要

屈光度是眼视光学镜片最重要的光学参数之一,是目前全世界通用的眼镜片折射能力大小的单位。由于该参数直接影响配镜者视力矫正后的视觉效果,因此,镜片屈光度值的测量在眼视光学中占有举足轻重的作用。针对目前镜片设计的自由化、个性化趋势,镜片不断更新换代,各种类型的产品层出不穷,镜片屈光度的分布也越来越复杂。截至目前,国内外对镜片屈光度的检测很大程度上还都局限于小范围区域测量的焦度计,而此类仪器对于屈光度分布复杂的镜片的测量显然是不适用的,因此,必须寻找新的方法,研制新的仪器来解决这一问题。Moiré偏折技术是Talbot和Moiré效应的结合,利用它可以实现一种非接触式光学检测方法。该检测方法可以根据Moiré效应对相位物体和镜反射表面进行光学检测,可以提供由相位物体或表面反射引起的光线偏折图像,光线偏折图像不同于相位滞后,因为它不要求知道真正的相位,因此实验装置所要求的机械稳定性并不象干涉测量法那样要达到十分之一波长,它对机械稳定性的要求根据需要而确定。此优点在灵敏度不是很高且有噪声的环境下是特别重要的。论文首先在查阅大量文献资料的基础上,总结介绍了镜片屈光度的概念及按屈光度分布不同的几种类型的镜片和各自的特点,并针对各种镜片屈光度的分布特点,介绍了相应的测量方法及测量原理,并将各种测量方法作了比较分析。提出了将莫尔偏折技术用于镜片屈光度测量的研究。详细介绍了莫尔条纹技术、泰伯效应等有关莫尔偏折技术方面的理论知识,分别从泰伯效应与光栅遮光阴影原理相结合以及菲涅耳-基尔霍夫理论的角度推导了变形后的莫尔条纹倾角与被测镜片屈光度的关系,得出镜片的屈光度与透过镜片后产生的莫尔条纹的倾角的正切成正比的结论,并给出了相关公式。同时,就理论上影响测量精度的一些参数进行了讨论分析,给出了合适的参数选定范围。在此理论基础上,构建了实验光路,通过对一系列实际镜片的测试分析,给出了不同屈光度的单光镜片和渐进多焦点镜片测试过程中的莫尔条纹图像。研究了莫尔条纹数字图像处理方法,给出了其预处理、噪声去除、阈值分割和细化处理过程,以及细化后的莫尔条纹曲线拟合及数值分析。最终得到了莫尔条纹各点处的斜率分布,从而得到了镜片的屈光度分布值,实现了镜片屈光度的测量。同时,给出了几种不同屈光度的单光镜片的测量结果,并将其与焦度计测量结果进行了比对。也给出了渐进多焦点镜片的测量结果,给出了其屈光度的三维分布图和二维分布图,并将通道内的屈光度分布曲线与用焦度计测量的结果进行了比较。分析结果表明,采用莫尔偏折技术测量镜片的屈光度与用焦度计测量结果基本是一致的。同时,也证明了将莫尔偏折技术用于镜片屈光度的测量,特别是对于屈光度分布复杂的高端镜片,可以很方便的实现一次性全口径范围的整体测量。论文最后讨论了镜片屈光度分布与镜片面形的关系。推导出了渐进多焦点镜片通道内的矢高分布,在求解过程中,提出了将镜片通道内曲线看成是一系列曲率半径逐渐变化的沿光学中心切线方向等距离的小圆弧段连接而成,且每一段小圆弧的起点和该段圆弧的圆心连线通过前一段小圆弧的圆心的思想。计算结果表明,此种求解渐进多焦点镜片通道内矢高分布的方式在实际中是合理的。

论文目录

• 中文提要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 论文的结构安排和主要内容
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第二章 镜片屈光度的概念及镜片的种类
• 2.1 引言
• 2.2 镜片屈光度的概念
• 2.2.1 透镜对光线的会聚和发散作用
• 2.2.2 镜片屈光度的概念
• 2.3 镜片按屈光度分布的分类
• 2.3.1 单光镜片（Single vision lens）
• 2.3.1.1 传统的球面单光镜片
• 2.3.1.2 非球面镜片（Aspherical lens）
• 2.3.2 双光和三光镜片
• 2.3.2.1 双光镜片（Bifocal lenses）
• 2.3.2.2 三光镜片（Trifocal lens）
• 2.3.3 渐进多焦点镜片（Progressive addition lens（Pal））
• 2.3.3.1 渐进多焦点镜片的特点
• 2.3.3.2 渐进多焦点镜片的视光学图解
• 2.3.3.3 渐进多焦点镜片的优缺点
• 2.3.3.4 渐进多焦点镜片的应用前景和趋势
• 2.3.4 几种镜片的性能特点综合比较
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 镜片屈光度的测量方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 传统镜片的屈光度测量
• 3.2.1 调焦成像式焦度计的测量原理
• 3.2.2 自动焦度计的测量原理
• 3.2.3 各种焦度计之间的优缺点比较
• 3.3 渐进多焦点镜片的检测方法研究
• 3.3.1 基于焦度计的自动化测量
• 3.3.2 整体采样法
• 3.3.2.1 哈特曼检测法（Hartmann Test）
• 3.3.2.2 光学傅立叶滤波法
• 3.3.2.3 Ronchi 光栅测试法
• 3.3.3 基于莫尔偏折技术的测量方法
• 3.3.4 综合比较
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 莫尔偏折技术用于镜片屈光度测量的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 莫尔条纹的概念、产生的原理及其应用
• 4.2.1 莫尔条纹的概念
• 4.2.2 莫尔条纹产生的原理
• 4.2.2.1 遮光阴影原理
• 4.2.3 频谱分析原理
• 4.2.4 莫尔条纹技术的应用
• 4.3 泰伯效应原理
• 4.3.1 平面波照射时的泰伯效应
• 4.3.2 球面波照射时的泰伯效应
• 4.4 莫尔偏折技术的原理
• 4.5 莫尔偏折技术的应用
• 4.6 莫尔偏折技术用于镜片屈光度测量的理论研究
• 4.6.1 引言
• 4.6.2 莫尔条纹倾角与镜片屈光度的关系推导
• 4.6.2.1 基于泰伯效应和光栅遮光阴影原理的公式推算
• 4.6.2.2 基于菲涅耳-基尔霍夫理论的莫尔条纹倾角与镜片屈光度关系的公式推导
• 4.6.3 计算结果讨论
• 4.6.3.1 泰伯像阶数的选取
• 4.6.3.2 光栅周期的选择
• 4.6.3.3 两光栅夹角的设定
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 莫尔偏折技术用于测量镜片屈光度的实验研究与结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 莫尔偏折技术测量镜片屈光度的实验研究
• 5.2.1 实验光路
• 5.2.2 初步实验结果及分析
• 5.3 莫尔条纹的数字图像处理
• 5.3.1 莫尔条纹图像的灰度变换与平滑处理
• 5.3.1.1 莫尔条纹图像的直方图均衡化处理
• 5.3.1.2 莫尔条纹图像的噪声去除处理
• 5.3.2 莫尔条纹图像的阈值分割
• 5.3.3 莫尔条纹图像的细化处理
• 5.4 细化后的莫尔条纹线的跟踪与拟合
• 5.4.1 莫尔条纹线的跟踪
• 5.4.1.1 扫描轮廓线跟踪法
• 5.4.1.2 Freeman 链码表达轮廓跟踪
• 5.4.2 莫尔条纹的曲线拟合
• 5.5 测量结果分析与比较
• 5.5.1 单光镜片的测量结果
• 5.5.2 渐进多焦点镜片的测量结果
• 5.5.3 测量结果讨论
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 镜片屈光度分布与面形的关系研究
• 6.1 引言
• 6.2 镜片屈光度与面形的数值关系
• 6.3 非球面镜片矢高分布与屈光度分布的关系
• 6.4 渐进多焦点镜片矢高分布与屈光度分布的关系
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 课题主要完成的工作及相关结论
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 进一步的研究方向
• 攻读博士学位期间发表学术论文
• 致谢
• 详细摘要