CN1560585A - 镜片透射比快速测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用固定光栅和CCD光电耦合器的全新的测量光谱透射比的方法及设备，光谱发射采用国际标准的D65光源的氙闪光灯，既可以解决光源的发热问题，又能使整机的功率下降；光谱的接收是通过积分球、窄缝、凹面镜、固定光栅与线阵CCD的紧密结合，能瞬时一次性接收测量波段内的全部光谱，快速完成测量功能。此测量设备的测量方法符合ISO标准，具有高的测量精度和准确的测量结果，微型化的结构，灵活的配置(可单独或与电脑搭载使用)，非常适合镜片制造企业、镜片零售商店和镜片质量检测机构等使用。

Description

镜片透射比快速测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量镜片透射比的方法和设备，特别是一种光机电一体化的快速准确测量装置。

背景技术

近视或远视的视力矫正、眼睛防护等眼镜产品的镜片质量，关系到使用者的健康保护，国家和行业对各种镜片的光谱透射比都有较高的要求。目前用于测量透射比的方法和设备可以归纳为二类：(一)直接测量，利用特定的光源和滤色片的组合来得到测量波段的光束，通过照射未装被测样品与加装被测样品的光强比较，快速判断样品在这一波段的透射比；(二)分光光度计型，是利用分光光度计原理得到单色光，再通过照射未装被测样品与加装被测样品的光强比较得到测量波段范围内的光谱透射比。上述第一类方法和设备由于特定光源条件限制，不能准确和定量测量镜片的透射比，只能用于定性测量；第二类镜片透射比测量方法和传统设备只能测平光镜片；目前虽然已有可测带有屈光度的镜片，且其检测结果符合镜片透射比国家和行业标准，但设备体积大、成本高，且检测速度慢，很难在镜片行业作商业化的推广和使用。CN1375690A公开了一种测量光透射率的方法和设备，它虽然能够解决测量镜片的屈光度对测量结果的影响，但仍采用干涉滤光器在有限波段内一区段一区段地测量，检测速度慢，且不能实现特定波长透射比的精确测量，在生产和销售现场无法广泛使用。

发明内容

本发明的目的针对目前镜片透射比测量装置所存在的问题，设计一种能迅速准确测量镜片透射比的方法和设备，提供镜片生产制造、零售现场使用，以控制和稳定镜片质量。

镜片透射比快速测量方法，主要是应用固定光栅将光谱分解成彩色光带，投射到CCD光电耦合器并转换成相对应电信号，由电脑处理得到不同的透射光强度。

镜片透射比快速测量的方法，它包括以下连续进行的步骤：

a：标准光源发出的光源通过光孔与滤光片获得波长为280～780nm的光束，经凸透镜聚焦到待测镜片上；

b：被测光束通过积分球均光作用后，经凹面镜反射变成平行光照射到固定光栅上，经衍射后使光谱按一定规律排成N级；

c：选择其中光强度最强、分辨率最高的一个次级的光谱经凹面镜聚光后变成按红、橙、黄、绿、兰、青、紫和紫外等排列顺序的光带，投射到线阵CCD的自上而下不同位置上；

d：CCD上全部象素的光信号转变成电信号，经模数转换后输入CPU按设定程序处理计算接收光谱的强度；

e：通过加装待测镜片与未加装待测镜片光谱强度之比得到镜片透射比。

测量镜片透射比的装置，它包括光谱发射装置，光谱接收装置和微机处理控制及显示装置，其特征在于：由标准光源、光孔、反射镜、滤光片和聚光透镜组成光谱发射装置；由积分球、反射镜、固定光栅和线阵CCD传感器组成光谱接收装置；由数据采集与模数转换电路、CPU处理器、输入按键和显示器组成电脑处理控制装置；标准光源通过光孔及反射镜后经滤光片由聚光镜进入样本座，透射出的光波通过积分球、反射镜及固定光栅照射至线阵CCD转换成电信号，再经数据采集与模数转换成数字信号输入CPU处理器。

本发明的理论基础是CCD对各种波长的光都有感应，CCD上众多象素中的每一个象素对接收的光波都能进行分辨，应用固定反射光栅的衍射将全波光源的光谱分解成排列的N级光谱，取某一级次的衍射光谱按其波长的长短顺序排列的一条彩色光带投射到CCD的不同位置上，由于CCD能接收和区分接收到不同波长光的强弱，并按照此不同波长顺序及其强弱转换成相对应的电信号，此电信号可通过数字化处理，由计算机处理求得各种不同的光透射比。

由于本发明所应用的线阵CCD光电耦合器像素众多，其窗口为石英玻璃，每个象素都能单独接收280-780nm的光波信号强弱，且分辨率很高。所以可取10nm(可见光区)、5nm(紫外光区)的分段间隔进行检测，满足国家有关标准和规范要求。本发明检测设备中的微处理器能进行加权积分和校准，具有按编制的程序自动快速准确的运算功能，运算结果实时显示于显示屏上，或通过与PC机联机以实现更高精度与更清晰的显示。

本发明采用多色仪结构的固定光栅，没有单色仪结构中转动光栅的传动装置和不同光谱通过光栅转动逐一检测的工作过程，故而可实现检测设备的微型化和快速检测。

附图说明

图1为本发明光学原理图；

图2为本发明电气原理图；

图3为本发明的一种实施例示意图，立式镜片透射比率。

图4为卧式镜片透射比计。

图5为具有透射比测量功能的焦度计。

上述图中，1、光源；2、光孔；3、平面反光镜；4、滤光片1；5、凸透镜；6、待测镜片；7、镜片夹持座；8、积分球；9、固定光栅；10、凹面反射镜；11、滤光片2；12、线阵CCD传感器；13、数据采集与模数转换电路；14、显示屏；15、微处理器CPU；16、功能按键；17、微型打印机；18、外接计算机；19、支座；20、镜片***口；21、镜片***口开关；22、功能指示框；23、透射比计盒。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的结构、测量和计算方法。

如图1所示，标准D65光源1，通过光孔2、反光镜3与滤光片4，得到测量范围为280nm-780nm的宽频光束，经凸透镜5聚光后，通过待测镜片6进入积分球8，通过积分球8上窄缝发散，再通过凹面镜10的反射变成平行光照射到固定反射光栅9上，由于光栅的衍射作用，使宽频谱的光束反射成按一定规律排列的N级光谱，对其中光强度最强、分辨率最高的一个级次的衍射光谱经凹面镜10聚光后变成按红、橙、黄、绿、兰、青、紫、紫外等顺序排列的光带，再经过滤色片11以消除光带的二次干扰，投射到线阵CCD传感器12的自上而下不同位置。

如图2所示，线阵CCD传感器上全部像素收到的光信号变为电信号，经过信号放大与AD转换后的数据由DSP处理并显示测量结果；如图3、4、5为镜片光谱透射比测量设备的三种不同形式。

图3和图4为镜片透射比计，光谱发射装置由标准D65氙闪光灯1、光孔2、反光镜3、滤光片4和凸透镜5组成。由D65发出的标准光源，通过光孔2至平面反光镜3，再通过光孔2和滤色片4，再经过凸透镜5后到达待测镜片6。镜片夹持座7将待测镜片6夹持在光路上。光谱接收装置由积分球8、凹面反射镜10、固定光栅9、滤光片11与线阵CCD传感器12组成，透过待测镜片的波长为280nm-780nm的宽频光束进入积分球8均光后从积分球上窄缝发散，再通过凹面反射镜10的反射成平行平光照射到固定光栅9上，经光栅衍射的宽频光波按一定规律排列为N光谱，其中一级光谱经滤色片光11后投射CCD传感器12上。电路部分由数据采集电路、A/D转换电路、CPU处理器和输入输出组成。配液晶显示器，除显示输出外，还可配微型打印机17和串行输出与PC机连网监示用。上述光谱发射装置、接收装置设于封闭的机座19内。

图3为立式镜片透射比计，图4为卧式镜片透射比计，都可用于测量光透射比τV，太阳紫外A的加权平均透射比τSUVA和太阳紫外B的加权平均透射比τSUVB，待测镜片6由镜片***口20***并由样本座7夹紧对准，通过按键16输入光谱范围等参数，即可测量不同的光谱透射比等或输出测量结果等。

加装待测镜片与未加装待测镜片的光谱强度之比，计算得到光谱透射比τv，太阳紫外A波段透射比τSUVA和太阳紫外B波段透射比τSUVB及镜片色度坐标等检测结果。

1、光谱透射比按以下公式计算：

光透射比 ${\mathrm{\τ}}_v=\frac{{\∫}_{380\mathrm{nm}}^{780\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·V\left(\mathrm{\λ}\right)\·S_{D65}\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{380\mathrm{nm}}^{780\mathrm{nm}}V\left(\mathrm{\λ}\right)\·S_{D65}\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}}\×100\%\·\·\·\·\left(1\right)$

2、紫外波A(315nm-380nm光谱区)平均透射比按下式计算：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{UVA}}=\frac{1}{(380-315)\mathrm{nm}}\·{\∫}_{315\mathrm{nm}}^{380\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}\×100\%\·\·\·\left(2\right)$

3、太阳紫外A(315nm-380nm)波段透射比τ(λ)与ESλ(λ)和S(λ)的加权平均透射比按下式计算：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SUVA}}=\frac{{\∫}_{315\mathrm{nm}}^{380\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·E_{\mathrm{S\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·S\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{315\mathrm{nm}}^{380\mathrm{nm}}{E}_{\mathrm{S\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·S\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}}\×100\%\·\·\·\·\left(3\right)$

4、太阳紫外B(280nm-315nm)波段的光谱透射比τ(λ)与ESλ(λ)和S(λ)的加权平均透射比按下式计算：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{SUVB}}=\frac{{\∫}_{280\mathrm{nm}}^{315\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·E_{\mathrm{S\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·V\left(\mathrm{\λ}\right)\·S\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{280\mathrm{nm}}^{315\mathrm{nm}}{E}_{\mathrm{S\λ}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·S\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}}\×100\%\·\·\·\·\left(4\right)$

τ(λ)-镜片的光谱透射比

V(λ)-日光下平均人眼光谱光视效率函数(ISO/CIE10527中定义)

SD65λ(λ)-标准光源D65的光谱分布函数(ISO/CIE10526中定义)

ESλ(λ)-太阳辐射的光谱分布函数

S(λ)紫外辐射的相对光谱效率函数

5.镜片色度坐标的测定

要计算颜色的色度坐标，必须先求得颜色的三刺激值X，Y，Z。国际照明委员会(CIE)色度***的三刺激值计算公式为：

式中，积分的范围在可见光波段内，即380～780nm。实际计算中用求和来近似积分，式(1)可转换为下式：

其中，S(λ)为照明光源的相对光谱功率分布；τ(λ)为镜片的光谱透射比；x(λ)， y(λ)， z(λ)是CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值，k叫做归化系数或调整因子，它的作用是将所选标准照明体的Y值调整到100，它的值可以由式(3)求得。

$k=\frac{100}{\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}S\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}}--\left(3\right)$

由式(2)计算出颜色的三刺激值后，由式(4)计算出色度坐标为

$x=\frac{X}{X+Y+Z},y=\frac{Y}{X+Y+Z},$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z},---\left(4\right)$

CIE推荐的色度计算方法有等间隔波长法和选定波长法两种，在本研究中采用等间隔波长法。

镜片透射比计设备除了可单独使用外，配以显示屏(14)、功能显示框(22)、功能按键(16)和机座(19)组成镜片焦度计，图5所示，其灵活的串行通信端口还可以与PC机配合使用，完成对镜片各种性能的综合检测。

Claims (9)

1、镜片透射比快速测量方法，其特征是应用固定光栅将光谱分解成彩色光带，投射到CCD光电耦合器并转换成相对应电信号，由电脑处理得到不同的透射光强度。

2、如权利要求1所述镜片透射比快速测量的方法，其特征是包括以下连续进行的步骤：

a：标准光源发出的光波通过光孔(2)与滤光片(4)获得波长为280～780nm的光束，经凸透镜(5)聚焦到待测镜片(6)上；

b：被测光束通过积分球(8)均光作用后，经凹面镜(10)反射变成平行光照射到固定光栅(9)上，经衍射后使光谱按一定规律排成N级；

c：选择其中光强度最强、分辨率最高的一个次级的光谱经凹面镜聚光后变成按红、橙、黄、绿、兰、青、紫和紫外等排列顺序的光带，投射到线阵CCD的自上而下不同位置上；

d：由CCD将其上全部象素的光信号转变成电信号，经模数转换后输入CPU按设定程序处理计算接收光谱的强度；

e：通过加装待测镜片与未加装待测镜片光谱强度之比得到镜片透射比。

3、测量镜片透射比的装置，它包括光谱发射装置，光谱接收装置和微机处理控制及显示装置，其特征在于：由标准光源(1)、光孔(2)、反射镜(3)、滤光片(4)和聚光透镜(5)组成光谱发射装置；由积分球(8)、反射镜(10)、固定光栅(9)和线阵CCD传感器组成光谱接收装置；由数据采集与模数转换电路、CPU处理器、输入按键和显示器组成电脑处理控制装置；标准光源通过光孔及反射镜后经滤光片由聚光镜进入样本座，透射出的光波通过积分球、反射镜及固定光栅照射至线阵CCD转换成电信号，再经数据采集与模数转换成数字信号输入CPU处理器。

4、如权利要求3所述的镜片透射比测量装置，其特征是光谱发射机构由标准D65氙闪光灯(1)、光孔(2)、反光镜(3)、滤光片(4)和凸透镜(5)组成。

5、如权利要求3所述的镜片透射比测量装置，其特征是光谱接收机构由积分球(8)、凹面反射镜(10)、固定光栅(9)、滤光片(11)与CCD线阵传感器(12)组成。

6、如权利要求3所述的镜片透射比测量装置，其特征是样本座由待测镜片(6)和夹持座(7)所组成。

7、如权利要求3所述的镜片透射比测量装置，其特征为立式镜片透射比测量仪还包括机座(19)、镜片夹持座(7)，功能按键(16)、功能显示框(22)和显示屏(17)。

8、如权利要求3所述的镜片透射比测量装置，其特征为卧式镜片透射比测量仪还包括机座(19)、镜片夹持座(7)，功能按键(16)、功能显示框(22)和显示屏(14)。

9、如权利要求3所述的镜片透射比测量装置，其特征是镜片透射比与焦度计组合还包括显示屏(14)、功能显示框(22)、功能按键(16)和机座(19)。

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