CN113483679A - 一种隐形眼镜参数测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隐形眼镜参数测量装置及方法，包括低相干光源，通过光纤依次连接第一分光元件和准直器，准直器另一侧依次放置第二分光元件、第二透镜、反射镜；第一分光元件的另一个输出端通过光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机电连接；第二分光元件另一个输出端一侧设置有X‑Y振镜，X‑Y振镜另一侧依次设置第一透镜、样品台；低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，样品台的表面与样品光垂直。本发明实现了在一台装置上进行隐形眼镜的中心厚度、含水量和曲率半径参数的测量，避免对样品损伤、节省检测时间、减少主观误差。

Description

一种隐形眼镜参数测量装置及方法
技术领域
本发明属于光学干涉测量技术领域，尤其涉及一种隐形眼镜参数测量装置及方法。
背景技术
隐形眼镜具有配戴美观、配戴方便及配戴稳定性等优点，越来越受到人们的喜爱,其使用人数正大量增加。随着人们生活水平的提高和医学领域的进步,对防护性角膜接触镜、美容性角膜接触镜以及医疗性角膜接触镜的开发和应用也提上日程。隐形眼镜的主要参数包括：中心厚度、含水量和曲率半径，精确测量隐形眼镜的这些参数，在隐形眼镜的制备和应用中均具有十分重要的意义。但目前对于隐形眼镜参数的测量方法存在不足：
1、中心厚度测量：隐形眼镜主要分为硬性镜片和软性镜片，硬性镜片的中心厚度测量都是接触测量，在测量时都会接触到样品，尤其测量硬性镜片时，需要将撞针放在镜片上，容易对样品造成损坏。
2、含水量测量：目前市场上测量隐形眼镜含水量的方法主要有烘箱法和卤素水分测定法。在GB/T 11417.7-2012中规定的检验方法之一就是用称重法来测定其含水量，也就是烘箱法，该方法存在以下不足：(1)烘箱法所需要样品量大，通常需要7～8片以上样品，这对抽样检验样品的质量造成一定的困难。(2)烘箱法耗时过长，通常需要16～18小时的烘干过程。(3)检测过程不易操作，操作复杂，在样品烘干后，需要在有干燥剂的干燥室中冷却至室温，冷却过程中极易吸收空气中的水分，对检测结果造成影响。卤素灯水分测定仪法与烘箱法虽然相比在实验速度上有所提升，但是同样有一些不足：(1)测定仪器本身含水，在与样品进行接触的过程中会使镜片吸水，造成测量结果不准确。(2)烘干时间通常在1～2小时之间，用时过长。(3)检测时需将仪器升温至100℃以上，会破坏样品本身的结构，对样品造成损坏。
3、曲率半径测量：由于曲率半径决定镜片与角膜的适配关系，所以它的检测是隐形眼镜检测重要的参数，目前曲率半径的检测使用曲率半径测定仪，检测方法是首先将检测镜片清洗干燥后，放入凹槽，使镜片的凹面向上，并保持凹面无任何液体，将镜片托盘放置到适当位置，能够观察到镜片反射的小绿色光束，通过目镜可以观察到呈星状图案的实像和虚像，实像位于表盘接近零点的位置，并且位于中心，而虚像位于表盘6～9mm的位置，且不在中心，调整指针到零，使实像清晰，调整物镜使虚像清晰，然后从表盘读出接近百分之一的毫米数即为镜片的曲率半径数值，测量过程复杂繁琐，需要人工判断成像清晰度，会引入主观误差。
在中心厚度和曲率半径的测量中，如果偏离样品顶点，则产生误差；且目前的测量都是人工判定顶点位置，存在主观误差。同时，目前对于上述隐形眼镜参数的测量都是需要使用不同的设备进行不同参数的测量，无法在一台设备上完成。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种隐形眼镜参数测量装置及方法。
一种隐形眼镜参数测量装置，包括低相干光源、第一分光元件、准直器、第二分光元件、第二透镜、反射镜、X-Y振镜、样品台、第一透镜、光谱仪和计算机，所述低相干光源通过光纤依次连接第一分光元件和准直器，准直器另一侧依次放置第二分光元件、第二透镜、反射镜；所述第一分光元件的另一个输出端通过光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机电连接；所述第二分光元件的另一个输出端一侧设置有X-Y振镜，X-Y振镜另一侧依次设置第一透镜、样品台；所述低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光；平行光经过第二分光元件，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，所述样品台的表面为反射镜，与样品光垂直。
所述光谱仪包括依次摆放的第三透镜、光栅、第四透镜、相机，所述第一分光元件的另一个输出端通过光纤与第三透镜连接，所述相机与计算机电连接，光依次经过透镜和光栅并被相机采集，然后将干涉光谱传输给计算机。
上述的一种隐形眼镜参数测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤一：样品台上未放置样品，利用X-Y振镜进行扫描，低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光；平行光经过第二分光元件，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜聚焦在反射镜上，样品光经过X-Y振镜的X振镜和Y振镜照射到第一透镜上，样品光经过第一透镜聚焦于样品台上，样品台表面的反射光和经反射镜反射的参考光按原路径逆向传播，进入第一分光元件，经第一分光元件的另一个输出端进入光谱仪，形成干涉光谱，干涉光谱由光谱仪采集并传输给计算机进行相位解调；将样品台表面与参考光形成的干涉光谱标记为S0(x,y；k)，x和y表示扫描点的平面坐标，k表示光谱仪的波数分布；
步骤二：将待测样品放在样品台上，凸面朝上，利用X-Y振镜进行扫描，低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光；平行光经过第二分光元件，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜聚焦在反射镜上，样品光经过X-Y振镜的X振镜和Y振镜照射到第一透镜上，样品光经过第一透镜聚焦于待测样品和样品台上，待测样品的上表面的反射光、下表面的反射光、样品台表面的反射光与经反射镜反射的参考光按原路径逆向传播，进入光谱仪，待测样品的上表面、下表面、样品台表面的反射光分别与反射的参考光形成干涉光谱，待测样品的上表面与经反射镜反射的参考光形成的干涉光谱标记为S1(x,y；k)，待测样品的下表面与经反射镜反射的参考光形成的干涉光谱标记为S2(x,y；k)，样品台表面与经反射镜反射的参考光形成的干涉光谱标记为S3(x,y；k)；
步骤三：计算机根据S0(x,y；k)计算样品台的表面轮廓Z0(x，y)，计算Z0(x，y)的方法如下：对干涉光谱S0(x,y；k)消除直流分量，进行强度归一化；对预处理后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，由幅度谱得到无量纲频率m0和相位
Figure BDA0003149574390000031
进行解卷绕处理，得到；
Figure BDA0003149574390000032
其中：KC表示光谱仪中心波数，△表示光谱仪的FFT分辨率，N0为相位卷绕次数；
KC可以通过一个已知波长的单色光进行标定，△可以通过一个已知厚度和折射率的玻璃片进行标定，N0由去卷绕算法得到；
步骤四：计算隐形眼镜参数：在步骤二的测量中，S1(x,y；k)、S2(x,y；k)和S3(x,y；k)的信号叠加在一起，首先通过带通滤波器将S1(x,y；k)、S2(x,y；k)和S3(x,y；k)单独提取，然后利用步骤三所示方法，由S1(x,y；k)(x,y；k)、S2(x,y；k)和S3(x,y；k)计算样品上表面轮廓Z1(x，y)、样品下表面轮廓Z2(x,y)、放置样品后样品台表面轮廓Z3(x，y)；
将待测样品的半径标记为R，将待测样品的球心坐标标记为(a,b,c)，利用拟合法由Z1(x，y)计算出镜片的曲率半径和球心坐标(a,b,c)；
则在放置待测样品时，穿过待测样品中心点经样品上表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d1＝Z1(a，b)，穿过待测样品中心点经样品下表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d2＝Z2(a，b)，穿过待测样品中心点经样品台表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d3＝Z3(a，b)；未放置样品时，穿过(a，b)点经样品台表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d0＝Z0(a，b)；
则样品中心厚度d及折射率n0通过下式(2)-(4)可知：
d＝(d2-d1)-(d3-d0) (2)
n0＝(d2-d1)/(d2-d1-d3+d0) (3)
根据混合物折射率计算公式可得样品含水量x的公式(4)：
x＝100*(n0-m)/(n-m) (4)
其中：x表示样品的含水量，n表示待测样品材质在干态时的折射率，m表示待测样品吸收的液体的折射率，根据液体的成分可知液体的折射率。
本发明的有益效果是：
1、在一台装置上实现了隐形眼镜的中心厚度、含水量和曲率半径参数的测量。
2、本发明所提供的装置对于隐形眼镜参数的测量方法是非接触方法，可以避免对样品的损伤。
3、采用本发明的装置对隐形眼镜的含水量进行测量时，不需要进行样品脱水处理，测量迅速快捷、节省检测时间。
4、采用本发明的装置对隐形眼镜的中心厚度和曲率半径进行测量时，无需寻找镜片的顶点即可求出镜片的曲率半径，减少主观误差。
附图说明
图1为本发明一种隐形眼镜参数测量装置的结构连接示意图；
其中，
1-低相干光源，2-第一分光元件，3-准直器，4-第二分光元件，5-X振镜，6-Y振镜，7-第一透镜，8-待测样品，9-第二透镜，10-反射镜，11-第三透镜，12-光栅，13-第四透镜，14-相机，15-计算机，16-样品台，17-光谱仪。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
实施例1：
本实施例中所待测隐形眼镜样品标称中心厚度为80μm，基弧半径为8.6mm，佩戴方式为年抛类型，含水量为40％。
如图1所示，一种隐形眼镜参数测量装置，包括低相干光源1、第一分光元件2、准直器3、第二分光元件4、第二透镜9、反射镜10、X-Y振镜、样品台16、第一透镜7、光谱仪17和计算机15，所述低相干光源1通过光纤依次连接第一分光元件2和准直器3，准直器3另一侧依次放置第二分光元件4、第二透镜9、反射镜10。所述第一分光元件2的另一个输出端通过光纤与光谱仪17连接，光谱仪17与计算机15电连接。所述第二分光元件4的另一个输出端一侧设置有X-Y振镜，X-Y振镜另一侧依次设置第一透镜7、样品台16。本实施例中所述低相干光源1的中心波长1310nm、带宽82nm，所述第一分光元件2的分光比为50：50，第二分光元件4的分光比为50：50，第二透镜9的焦距为50mm，第一透镜7的焦距为50mm。
所述低相干光源1发出的光进入第一分光元件2，从第一分光元件2的一端输出的光经准直器3变成平行光；平行光经过第二分光元件4，第二分光元件4将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜9聚焦在反射镜10上，样品光经过X-Y振镜的X振镜5和Y振镜6照射到第一透镜7上，样品光经过第一透镜7聚焦于样品台16上的待测样品8表面。所述样品台16用于放置待测样品8，样品台16表面为反射镜10，与样品光垂直；经反射镜10反射的参考光、经样品台16和待测样品8反射的样品光按原路径反射形成干涉光谱，进入第一分光元件2，经第一分光元件2的另一个输出端进入光谱仪17。光谱仪17将采集的干涉光谱传输给计算机15进行相位解调，结合傅里叶变换的频率和相位进行解调，计算光程差。
所述光谱仪17包括依次摆放的第三透镜11、光栅12、第四透镜13、相机14，所述第一分光元件2的另一个输出端通过光纤与第三透镜11连接，所述相机14与计算机15电连接，光依次经过透镜和光栅12并被相机14采集，然后将干涉光谱传输给计算机15。本实施例中所述第三透镜11的焦距为100mm，所述光栅12为透射式光栅12，其型号是1145line/mm，所述第四透镜13的焦距为150mm，所述相机14为线阵CCD相机，型号是GL2048。相机14记录下反射的参考光和样品光的干涉光谱，传输给计算机15进行处理，结合傅里叶变换的频率和相位进行解调，计算光程差。
上述一种隐形眼镜参数测量装置进行隐形眼镜参数测量的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：样品台16上未放置样品，利用X-Y振镜进行扫描，低相干光源1发出的光进入第一分光元件2，从第一分光元件2的一端输出的光经准直器3变成平行光；平行光经过第二分光元件4，第二分光元件4将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜9聚焦在反射镜10上，样品光经过X-Y振镜的X振镜5和Y振镜6照射到第一透镜7上，样品光经过第一透镜7聚焦于样品台16上，样品台16表面的反射光和经反射镜10反射的参考光按原路径逆向传播，进入第一分光元件2，经第一分光元件2的另一个输出端进入光谱仪17，形成干涉光谱，干涉光谱由光谱仪17采集并传输给计算机15进行相位解调。将样品台16表面与参考光形成的干涉光谱标记为S0(x,y；k)，x和y表示扫描点的平面坐标，k表示光谱仪17的波数分布。
步骤二：将待测样品8放在样品台16上，凸面朝上，利用X-Y振镜进行扫描，低相干光源1发出的光进入第一分光元件2，从第一分光元件2的一端输出的光经准直器3变成平行光；平行光经过第二分光元件4，第二分光元件4将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜9聚焦在反射镜10上，样品光经过X-Y振镜的X振镜5和Y振镜6照射到第一透镜7上，样品光经过第一透镜7聚焦于待测样品8和样品台16上，待测样品8的上表面的反射光、下表面的反射光、样品台16表面的反射光与经反射镜10反射的参考光按原路径逆向传播，进入光谱仪17，待测样品8的上表面、下表面、样品台16表面的反射光分别与反射的参考光形成干涉光谱，待测样品8的上表面与经反射镜10反射的参考光形成的干涉光谱标记为S1(x,y；k)，待测样品8的下表面与经反射镜10反射的参考光形成的干涉光谱标记为S2(x,y；k)，样品台16表面与经反射镜10反射的参考光形成的干涉光谱标记为S3(x，y；k)。
步骤三：计算机15根据S0(x，y；k)计算样品台16的表面轮廓Z0(x，y)，计算Z0(x，y)的方法如下：对干涉光谱S0(x，y；k)消除直流分量，进行强度归一化；对处理后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，由幅度谱得到无量纲频率m0和相位
Figure BDA0003149574390000062
进行解卷绕处理，得到；
Figure BDA0003149574390000061
其中：KC表示光谱仪17中心波数，Δ表示光谱仪17的FFT分辨率，N0为相位卷绕次数。
KC可以通过一个已知波长的单色光进行标定，Δ可以通过一个已知厚度和折射率的玻璃片进行标定，N0由去卷绕算法得到。
步骤四：计算隐形眼镜参数：在步骤二的测量中，S1(x，y；k)、S2(x，y；k)和S3(x，y；k)的信号叠加在一起，首先通过带通滤波器将S1(x，y；k)、S2(x，y；k)和S3(x，y；k)单独提取，然后利用步骤三所示方法，由S1(x，y；k)(x，y；k)、S2(x，y；k)和S3(x，y；k)计算样品上表面轮廓Z1(x，y)、样品下表面轮廓Z2(x，y)、放置样品后样品台16表面轮廓Z3(x，y)。
将待测样品8的半径标记为R，将待测样品8的球心坐标标记为(a，b，c)，利用拟合法，由Z1(x，y)计算出镜片的曲率半径R和球心坐标(a，b，c)，每一点的计算值与实际值的差值为：E(x0，y0，z0，r)＝(x-x0)2+(y-y0)2+(Z1-z0)2-r2，其中(x0，y0，z0，r)是待求的球心坐标和半径，当E(x0，y0，z0，r)最小时，则有a＝x0，b＝y0，c＝z0，R＝r。本实施例中的曲率半径R为8.5mm。
则在放置待测样品8时，穿过待测样品8中心点经样品上表面的反射光与经反射镜10反射的参考光的光程差为d1＝Z1(a，b)，穿过待测样品8中心点经样品下表面的反射光与经反射镜10反射的参考光的光程差为d2＝Z2(a，b)，穿过待测样品8中心点经样品台16表面的反射光与经反射镜10反射的参考光的光程差为d3＝Z3(a，b)。未放置样品时，穿过(a，b)点经样品台16表面的反射光与经反射镜10反射的参考光的光程差为d0＝Z0(a，b)。
则样品中心厚度d及折射率n0通过下式(2)-(4)可知：
d＝(d2-d1)-(d3-d0) (2)
n0＝(d2-d1)/(d2-d1-d3+d0) (3)
根据混合物折射率计算公式可得样品含水量CW的公式(4)：
CW＝100*(n0-m)/(n-m) (4)
其中：x表示样品的含水量，n表示待测样品8材质在干态时的折射率，m表示待测样品8吸收的液体的折射率，n和m可用现有技术测量得到。
由上述测量可得d0为1131.471μm，d1为1108.613μm，d2为1200.045μm，d3为1142.9μm，待测样品8中心厚度约为d＝80.003μm、样品的折射率为n0＝1.423。
本实施例中待测样品8材质在干态时的折射率为n＝1.56，待测样品8吸收的液体的折射率为m＝1.333，由上述公式(4)计算可得隐形眼镜样品的含水量CW约为39.6％，符合标称数值。

Claims (3)

1.一种隐形眼镜参数测量装置，其特征在于：包括低相干光源、第一分光元件、准直器、第二分光元件、第二透镜、反射镜、X-Y振镜、样品台、第一透镜、光谱仪和计算机，所述低相干光源通过光纤依次连接第一分光元件和准直器，准直器另一侧依次放置第二分光元件、第二透镜、反射镜；所述第一分光元件的另一个输出端通过光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机电连接；所述第二分光元件的另一个输出端一侧设置有X-Y振镜，X-Y振镜另一侧依次设置第一透镜、样品台；所述低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光；平行光经过第二分光元件，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，所述样品台的表面为反射镜，与样品光垂直。
2.根据权利要求1所述的一种隐形眼镜参数测量装置，其特征在于：所述光谱仪包括依次摆放的第三透镜、光栅、第四透镜、相机，所述第一分光元件的另一个输出端通过光纤与第三透镜连接，所述相机与计算机电连接，光依次经过透镜和光栅并被相机采集，然后将干涉光谱传输给计算机。
3.权利要求1所述的一种隐形眼镜参数测量装置的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：样品台上未放置样品，利用X-Y振镜进行扫描，低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光；平行光经过第二分光元件，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜聚焦在反射镜上，样品光经过X-Y振镜的X振镜和Y振镜照射到第一透镜上，样品光经过第一透镜聚焦于样品台上，样品台表面的反射光和经反射镜反射的参考光按原路径逆向传播，进入第一分光元件，经第一分光元件的另一个输出端进入光谱仪，形成干涉光谱，干涉光谱由光谱仪采集并传输给计算机进行相位解调；将样品台表面与参考光形成的干涉光谱标记为S0(x,y；k)，x和y表示扫描点的平面坐标，k表示光谱仪的波数分布；
步骤二：将待测样品放在样品台上，凸面朝上，利用X-Y振镜进行扫描，低相干光源发出的光进入第一分光元件，从第一分光元件的一端输出的光经准直器变成平行光；平行光经过第二分光元件，第二分光元件将平行光分为参考光和样品光，其中参考光经第二透镜聚焦在反射镜上，样品光经过X-Y振镜的X振镜和Y振镜照射到第一透镜上，样品光经过第一透镜聚焦于待测样品和样品台上，待测样品的上表面的反射光、下表面的反射光、样品台表面的反射光与经反射镜反射的参考光按原路径逆向传播，进入光谱仪，待测样品的上表面、下表面、样品台表面的反射光分别与反射的参考光形成干涉光谱，待测样品的上表面与经反射镜反射的参考光形成的干涉光谱标记为S1(x,y；k)，待测样品的下表面与经反射镜反射的参考光形成的干涉光谱标记为S2(x,y；k)，样品台表面与经反射镜反射的参考光形成的干涉光谱标记为S3(x,y；k)；
步骤三：计算机根据S0(x,y；k)计算样品台的表面轮廓Z0(x，y)，计算Z0(x，y)的方法如下：对干涉光谱S0(x,y；k)消除直流分量，进行强度归一化；对预处理后的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，由幅度谱得到无量纲频率m0和相位
Figure FDA0003149574380000021
进行解卷绕处理，得到；
Figure FDA0003149574380000022
其中：KC表示光谱仪中心波数，△表示光谱仪的FFT分辨率，N0为相位卷绕次数；
KC可以通过一个已知波长的单色光进行标定，△可以通过一个已知厚度和折射率的玻璃片进行标定，N0由去卷绕算法得到；
步骤四：计算隐形眼镜参数：在步骤二的测量中，S1(x,y；k)、S2(x,y；k)和S3(x,y；k)的信号叠加在一起，首先通过带通滤波器将S1(x,y；k)、S2(x,y；k)和S3(x,y；k)单独提取，然后利用步骤三所示方法，由S1(x,y；k)(x,y；k)、S2(x,y；k)和S3(x,y；k)计算样品上表面轮廓Z1(x，y)、样品下表面轮廓Z2(x,y)、放置样品后样品台表面轮廓Z3(x，y)；
将待测样品的半径标记为R，将待测样品的球心坐标标记为(a,b,c)，利用拟合法由Z1(x，y)计算出镜片的曲率半径R和球心坐标(a,b,c)；
则在放置待测样品时，穿过待测样品中心点经样品上表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d1＝Z1(a，b)，穿过待测样品中心点经样品下表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d2＝Z2(a，b)，穿过待测样品中心点经样品台表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d3＝Z3(a，b)；未放置样品时，穿过(a，b)点经样品台表面的反射光与经反射镜反射的参考光的光程差为d0＝Z0(a，b)；
则样品中心厚度d及折射率n0通过下式(2)-(4)可知：
d＝(d2-d1)-(d3-d0) (2)
n0＝(d2-d1)/(d2-d1-d3+d0) (3)
根据混合物折射率计算公式可得样品含水量x的公式(4)：
x＝100*(n0-m)/(n-m) (4)
其中：x表示样品的含水量，n表示待测样品材质在干态时的折射率，m表示待测样品吸收的液体的折射率，根据液体的成分可知液体的折射率。
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