专利名称：渐变眼镜的象质仪的利记博彩app
本申请以1997年7月24日递交的Nos.60/053,824号临时专利申请为在先申请要求优先权，该在先申请的主题包括在本申请中以供参考。
本发明涉及光学测试装置，具体地说涉及能够测量逐渐增加的眼镜片的整个表面的象质的自动光学测试装置。
逐渐增加的眼镜片(PAL)的光学设计涉及在镜片不同区域之间稳定变化光焦度(焦距的倒数)，导致镜片的象质在镜片表面上变化。这一变化引入大量象散和大量的其他象差。因此，PAL即使制造成理想再现光学设计，在整个镜片上象质也将具有很大变化。而且，镜片通常具有与制造有关的缺陷，例如偏离设计曲率、折射率偏差、气泡、杂质、以及也可能改变象质的划痕。虽然这些制造缺陷难以模拟，但是必须能够测量它们。随着PAL的快速普及，需要一种能够测量不同设计的象质变化的光学测试装置，以便提供客观的比较。
目前，利用从市场上买的焦度计或者称为焦点计，可以人工测量镜片某一位置上(通常微孔直径大约为3毫米)的光焦度、象散和棱镜度。分辨率的测量通常利用试验台装置进行，通过利用显微镜观察由PAL形成的位于无穷远的AIR FORCE条状目标的图象。虽然这些装置和方法提供了关于PAL的一些基本信息，但是不能给出对PAL设计者和/或制造者非常有用的精确而广泛的象质详细。而且，已知的装置和方法不能够完全自动绘制整个PAL表面上的光焦度、象散、棱镜度和调制传递函数(MTF)。
因此，需要一种改进的光学测试装置，具体地说，需要一种能够完全自动绘制PAL整个表面的光焦度、象散、棱镜度和MTF的光学测试装置。
本发明提供了一种测量包括PAL在内的眼镜片的象质的改进的装置和方法，该装置和方法设计成克服现有技术的缺点。在目前的最佳实施例中，提供了一种完全自动的镜片象质绘图仪，用于测量眼镜或镜片整个表面不同位置上的光焦度、象散、棱镜度和MTF。该装置包括照明系统，用于向测试镜片提供适当尺寸的准直光束；定位系统，用于旋转测试镜片以便照明镜片上的不同区域；变焦透镜，一旦光束通过测试镜片上的特定微孔时，用于以恒定系统有效焦距聚焦光束；检测系统，用于记录和测量镜片的象质；以及调整臂，用于传输变焦透镜和检测系统，使得变焦/检测系统的光轴保持与从测试镜片出射的光束对准。
在测试镜片的给定微孔上，测量最佳光焦度、象散的大小和方向、棱镜度的大小和方向以及最佳焦点上的MTF。MTF通过测得的点扩散函数(PSF)的付立叶变换得出。然后通过在多个微孔位置上对透镜采样构成透镜图。绘制光焦度、象散、棱镜度和MTF的表面图、等高线和数值图以及象散和棱镜度的矢量图。
结合附图参考下面的详细描述，本发明的这些和其他特征及优点将变得更任意理解，从而理解本发明的这些和其他特征及优点。
图1是根据本发明的镜片象质仪(EIQM)的示意图；图2是径向变化与测试透镜光焦度关系的说明性曲线，由图1中的EIQM产生并用于测量最佳光焦度；图3是最大图象宽度与最小图象宽度之比与透镜光焦度之间的关系的说明性曲线图，由图1中的EIQM产生并用于测量象散的大小；图4是描述测试镜片安装/定位系统的两个转轴、调整臂的两个转轴和变焦透镜的两个线性运动的示意图，图5是PAL镜片的示意图，描述镜片上多个位置或微孔，利图1中的EIQM在这些位置上测量象质；图6A是测试镜片在旋转中的一系列示意图，描述当PAL的前后表面彼此不平行时产生的光束偏离；图6B是测试镜片在旋转中的一系列示意图，与图6A类似，描述图1中的EIQM的臂装置的使用，该臂装置的旋转点在PAL的后表面，并承载变焦透镜和检测系统；图7是图1中的EIQM的变焦透镜位置与测试镜片光焦度之间关系的曲线图，针对构成变焦透镜的每个透镜；图8和9是分别是PAL最小象散区和象散区的过焦图象的例子，由图1中的EIQM产生；图10是PAL的示意图，描述镜片整个表面上不同位置上的PSF；图11A、11B、11C、11D、11E、和11F分别是LENS A在20/20的最佳光焦度等高线、象散值等高线、象散角的矢量图、棱镜度值的等高线、棱镜度角的矢量图、以及归一化MTF的等高线，由图1中的EIQM产生；图12A、12B、12C、12D、12E、和12F分别是LENS B在20/20的最佳光焦度等高线、象散值等高线、象散角的矢量图、棱镜度值的等高线、棱镜度角的矢量图、以及归一化MTF的等高线，由图1中的EIQM产生；图13A和13B是LENS A不同微孔处的MTF全部曲线，由图1中的EIQM产生；以及图14A和14B分别是在20/20处的归一化MTF的三维图和在20/20处的归一化MTF与微孔位置的数值图，由图1中的EIQM产生。
现在参考图1，根据本发明的光学测试系统10或者镜片象质仪(EIQM)通常包括(a)照明系统12，用于向测试镜片提供适当尺寸的准直光束；(b)测试镜片安装/定位系统14，能够旋转测试镜片以便照明镜片上的不同区域；(c)变焦透镜16，一旦光束通过测试镜片上的特定微孔时用于以恒定系统有效焦距(EFL)聚焦光束；(d)检测系统18，用于记录和测量镜片的象质；以及(e)调整臂20，用于传输变焦透镜和检测系统，使得变焦/检测系统的光轴保持与从测试镜片出射的光束对准。此外，因为本发明的一个优点是EIQM是完全自动的，装置10最好与微处理器一受控计算机系统22相连，用于控制象质仪和分析获得的数据。下面详细描述EIQM的这些元件中的每一个。然而，首先，简单描述利用该系统可以进行的象质测量的种类。
I.象质测量A.最佳光焦度PAL的光焦度由产生最佳象质的变焦透镜的位置决定。在测试过程中，变焦透镜在位置范围内移动并在每个位置上测量象质。象质的有意义的表示是镜片产生的点扩散函数。
1.点扩散函数EIQM的独特特征之一是能够测量测试镜片的微孔产生的点扩散函数(PSF)。PSF是光强度分布的度量。通常，较小的PSF表示象质比较大PSF的好，因为较大的PSF是由镜片的较大象差产生的。PSF大小的一个有用度量是径向变化，描述它的主位置附近的光分布大小。下面的过程描述了怎样计算径向变化。首先，找到给定图象的中心。径向变化是光围绕中心分布的紧密程度作为离中心的径向距离的函数的度量。该数值，更正确地说是它的均方根(RMS)，广泛用于镜片设计和镜片测试，以便找到最佳光焦度位置。当对于测试镜片的给定微孔的焦点摄取的多个图象中的每个找到径向变化时，用一个多项式拟合这些数据，并记录径向变化最小处变焦透镜的光焦度。该光焦度是最佳光焦度，而且在该处记录最终的PSF。
径向变化与光焦度关系曲线示于图2中，可以清楚地看到最小径向变化位于大约0.35D。EIQM中使用的分析软件把曲线与该数据拟合并计算最小值位于0.349141D。这就是最佳光焦度。
B.象散EIQM也能够测量PAL的象散，包括数值和方向。当在测试镜片的特定位置上具有很大象散时，将形成两个线状图象，一个位于一个聚焦位置，而另一个位于另一聚焦位置。两个线状图象之间的聚焦差异定义为象散大小。光焦度较小的图象的角度给出象散的角度或轴。
为了确定线状图象的位置，利用一个方向上的图象宽度度量，而不是利用二维径向变化，来寻找最佳焦点。如果测量沿着通过图象中心的直线的一维图象宽度作为所述直线角度方向的函数，将获得最大宽度(沿着所述线状图象)和最小宽度(垂直于所述线状图象)。对于镜片上给定微孔上摄取的多个过焦图象的最小宽度与最大宽度之比，可以绘制成与光焦度关系的曲线，如图3所示。该比值从对于线状图象的0至对于圆形图象的1变化。因此，当存在象散时，曲线上的比值接近于0的两个位置对应于两个焦线。从这两个位置，可以利用光焦度差计算象散值。
参考图3，可以看到对应于两个不同的焦线的两个最小值。它们之间的差值大约为0.35D。这是象散值。EIQM中使用的分析软件把曲线与每个最小值附近的数据拟合以便更精确地确定象散。
对于纯象散，发现最佳光焦度在两个焦线之间的中间位置。然而，当存在其他象差(例如球差、慧差等)时，最佳光焦度的位置可能不正好在中点上，而是应该利用上述的最小径向变化寻找。
C.棱镜度
EIQM能够测量的PAL的另一个重要特征是镜片的棱镜度。镜片棱镜度是光束通过镜片的某点以后偏离它的原始光路多少的度量。通常的测量单位是棱镜度，定义为光束在镜片后1m的表面上偏离它的原始位置的横向位移，单位为cm。换句话说，1棱镜度等于10毫弧度的角度偏移。EIQM只是通过记录臂相对于光轴或零位置的角位置确定任何测试位置的棱镜度(见图6B)。
D.调制传递函数EIQM的另一个独特方面在于它能够测量调制传递函数(MTF)。一旦EIQM已经测量了如上所述镜片产生的PSF，就对PSF进行付立叶变换以便获得MTF。MTF是二维PSF的付立叶变换的模。MTF通常相对于空间频率(单位为周/mm)绘图。也可以绘制MTF对角频率(单位为周/mrad)的图。在聚焦系统中，通过把空间频率值乘以系统的焦距长度获得。在本发明的一个实施例中，EIQM绘制镜片的MFT与角频率的曲线，因为视觉敏锐度通常用角度单位表示。为了容易地评价给定镜片的MTF，通常绘制几个通过PSF中心的切面。通常，绘制四个不同空间取向或角度的切面，例如0、45、90和135度切面，利用上述过程，可以同时获得所有空间取向和空间频率的MTF，直至用于记录PSF的探测器的乃奎斯特极限。例如，在EIQM样机中，探测器宽度为19微米，所以可以测量的最高空间频率为1/(2×0.019mm)＝26.3周/mm。当系统焦距为600mm时，这变换为0.6m×26.3周/mm＝15.8周/mrad。因为孔径为5mm的镜片可以分辨的最高空间频率为D/λ＝5mm/543nm＝9.2周/mrad，所以该探测器足以记录所有空间或角频率。
II.照明系统EIQM从照明系统12开始，该照明系统设计成把来自光源26的适当尺寸的准直光束光照射在测试镜片24上。在一个EIQM实施例中，543nm的绿光He-Ne激光器作为光源，并用5微米的小孔空间滤光。用于EIQM的适当激光器的非限制性例子是1mW、线偏振的543nm的绿光He-Ne激光器，可以从Melles Griot，Irvine，California买到。
应该注意宽谱段光源诸如白光光源(例如石英卤素灯)或者发光二极管(例如绿色LED)可以作为替代光源。在其他替换实施例中，窄带干涉滤光片(例如550nm滤光片)可以用于选择测试波长，利用激光器作为光源比宽谱段光源具有某些优点，包括容易对准、功率较大、以及光束更均匀。然而，因为激光器产生如此大的功率，最好在照明系统中设置中性强度滤光片，以便衰减光束和防止探测系统饱和。
在EIQM初始测量过程中，利用宽谱段光源和滤光片，把光源的频谱宽度最初设置成550±10nm，因为大部分镜片测试是在550nm或其附近进行的，以便在视场内取得一致。然后，确定改变为543nm的激光器。
然后利用准直镜28把准直光束照射在测试镜片上。在一个实施例中，准直镜包括20x显微物镜30，后面是小孔，然后是消色差透镜32。用于EIQM样机中的消色差透镜32是消色差双片透镜，由低色散的正透镜与高色散的负透镜胶合在一起形成在可见光谱范围内基本上没有色散的正透镜。除了色差较小以外，消色差双片透镜与单片透镜相比还大大降低了其他象差(球差、慧差、色散等等)。然而，本领域的技术人员应该理解其他透镜例如单片非球面透镜或者空气分离的双片透镜也可以替代用于准直。适合于上述准直镜的元件可以从 Newport，in Irvine Clifornia和Spindler-Hoyer，inMilford，Massachusetts买到。
利用可调孔径34设置准直光束的直径。例如，可以利用划板上的四个孔径之一(2，3，5和7mm)设置光束。这些光束直径覆盖人眼在不同照明条件下的瞳孔大小的典型范围。利用较小瞳孔直径进行测试可以模拟明亮的观察条件，或者只是获得测试镜片上微小细节的象质。利用较大瞳孔直径进行测试将模拟较黑的观察条件。或者，可以使用可调孔径轮或者可调光阑代替可调孔径板，来设置光束直径。
III.测试透镜安装/定位系统在照明系统后面的待测试镜片24由安装/定位系统14夹持，并被准直光束照射。EIQM的主要目的是模拟眼镜片被人眼使用的方式。人眼具有转动中心，而且当眼睛转动时，通过眼镜片和瞳孔的光形成一系列围绕眼镜的转动中心转动的光束。为了模拟这一点，安装/定位系统设计成围绕测试镜片的后表面之后的转动点35转动镜片。在目前的最佳实施例中，测试镜片的转动半径取27mm。选择27mm半径是因为在相关文献中不断地把该数值用作眼镜的转动中心与眼镜片的后顶点之间的平均距离；然而，EIQM可以使用任何转动距离进行测试。
为了能够转动，镜片支架36与二轴转动分级系统相连，用于定位测试镜片，以便照射镜片上的不同区域进行测试。在目前的最佳实施例中，二轴分级系统包括两个电动转动级。适用的低容量电动转动级可以从Velmex in Bloomfiled，New York买到。二轴转动分级系统设计成使得如果z轴是光轴，测试镜片能够围绕平行于x轴的直线和平行于y轴的直线转动，以便模拟人眼，如上所述。在图4中，箭头40、42表示镜片的二轴转动。
在EIQM的实施例中，三脚自动定心的透镜支架用作透镜支架(测试镜片最好是没有切边的，直径通常为76mm)。支架上的一设定螺钉用于防止脚对镜片施加的力过大。适当的直径为80mm、3脚自动定心透镜支架可以从Melles Griot in Irvine，California买到。
测试镜片安装/定位系统的二轴转动分级系统用于把测试镜片顺序定位在测试镜片的一系列预定位置或微孔上，进行象质测量。测试镜片上的具体位置由测试镜片的性能、测试光束尺寸、以及希望得到的测试镜片的信息决定。例如，对于通常的PAL和5mm直径的测试光束，EIQM利用103个测试位置，这些测试位置在上距离区内间隔比较粗略，而在过渡区和附加区附近间隔比较精细(图5)。镜片位置系列仅仅是一系列提供给计算机的角度(每个位置的水平角和垂直角)。角度限定二轴转动分级系统38应该怎样围绕每个位置的眼转动点转动。在每个镜片位置上，计算光焦度、象散(数值和角度)、棱镜度(数值和角度)以及MTF，并用于测试镜片上的象质。
当利用3mm直径的测试光束时，希望增加测试点总数(即减小邻近点之间的间距)以便更精细地测试镜片。在任何情况下，测试点之间的间距应该最好设置成使得光束在镜片上的轨迹彼此不重叠。
上述过程完全自动完成并由EIQM的计算机22控制。测试镜片的二轴转动由限位传感器开关启动并由计算机控制。进行测试的一系列镜片位置装入计算机中。计算机指示电动转动分级系统38把镜片顺序定位在每个指定位置上，以便在镜片转动到下一个位置之前进行适当的测量。
IV.调整臂当PAL按照上述方式转动时产生一个重大困难。参考图6A，测试光束通常不垂直入射在PAL的前表面上。测试中的镜片移动时，测试光束偏离PAL的后表面，当从镜片上出射时扫过很大角度。换句话说，入射的准直光束37和折射通过测试镜片39的光束不彼此平行。
EIQM通过围绕测试镜片上的光束偏离点41转动臂上的变焦透镜/探测器系统克服这一问题(图4)。换句话说，变焦透镜和探测器系统二者连接到所述臂上并一起围绕测试镜片转动，以便透过测试镜片的光束沿着或近似沿着变焦透镜的光轴透射并近似入射在探测系统的中部。在测试镜片移动到新的测试位置时，旋转臂直到图象再次定心在探测器上。
为了使得变焦透镜/探测器系统与从测试镜片出射的光束对准并定心在上面，调整臂与二轴转动分级系统相连。在目前的最佳实施例中，二轴转动分级系统包括两个电动的转动级。适用的高功率电动的转动级可以从Velmex in Bloomfiled，New York买到。
臂系统设计中的一个挑战是需要在大角度行程中稳定而且不受振动影响的移动。大部分臂结构已经用铝制成以便使得重量最轻，利用钢架把臂连接到转动级上。由于相当重的悬臂负载，选择大的商品转动级用于臂的二轴转动。此外，设计了平衡物以便保护高度转动级中的支座防止由于偏心负载而过度疲劳。
在图4中，箭头46、48表示臂的二轴转动。如上所述，臂系统的操作是完全自动的而且由EIQM的计算机22控制。壁的二个转动轴由限位传感器启动并由计算机控制。一旦测试镜片从一个测试位置转动到另一个测试位置，由电动化的二轴转动分级系统44移动臂以便图象再次定心在探测系统上。有时，尤其是高光焦度镜片，当镜片移动到下一个测试点位置时，光束将完全偏离探测系统的工作面。为了防止这种情况，可能需要跟踪光束。这是指实际上只移动到达下一个测试点的路径的一部分，停止，调整臂以便再定心图象，然后继续移动直到到达下一个测试点，而不丢失光束。对于目前已经适用EIQM测试的镜片，在任何两个测试点之间只需要两步；然而，对于较高光焦度的镜片可能需要较多的步骤，以便防止丢失光束。
可以替代使用其他解决光束偏离问题的装置代替臂系统。例如，可调棱镜可以直接放置在镜片后面以便使得光束回到原始光轴，或者可以使用宽视场角变焦透镜捕获出射光束，而不需要移动探测器系统。
V.变焦透镜象质测量更加困难，因为PAL具有空间变化的光焦度或焦距。也就是，镜片的不同部分聚焦在离渐变透镜的不同距离处。而且，一些测试镜片可能具有负光焦度。因此，使用附加光学系统使得光束聚焦。虽然利用可调变换系统沿着光学系统移动探测器系统以便在测试中聚焦图象，可以克服光焦度变化的问题，但是这是昂贵而且复杂的措施。而且，如果PAL的光焦度变化但是聚焦透镜的光焦度是固定的，那么包括PAL和聚焦透镜的光学系统的有效焦距(EFL)也变化。对于给定量的象差，PSF的尺寸与系统的EFL成正比变化。因此，如果系统的EFL变化，直接比较镜片不同位置上的PSF将变得困难。
为了解决这一问题，设计了唯一的变焦透镜以便把光束以恒定的系统EFL聚焦在探测器系统上。这样使得探测器系统定位在离PAL的固定位置上。此外，因为系统EFL对于PAL上的任何测试位置保持恒定，避免了为直接比较而缩放PSF。
在目前的最佳实施例中，变焦透镜包括两个元件，一个正消色差元件50，后面是双凹单透镜52。适用于变焦透镜的元件包括80mm EFL消色差双片透镜和-20mm EFL双凹透镜，可以从Spindler-Hoyer inMilford，Massachusetts买到。
此外，变焦透镜包括安装在臂上的两个电动的线性变换级。变焦透镜的前面的消色差透镜连接在第一较长级上，而后面的双凹透镜连接在第二较短级上，该较短级本身连接到较长级上。这样的结构用于分别调整PAL与消色差透镜之间、消色差透镜与双凹透镜之间的间距，使得系统EFL对于变化的PAL光焦度保持恒定。换句话说，线性级允许变焦时，变焦透镜的两个元件沿着通过它们中心的光轴移动，以便保持系统EFL恒定。适用的电动的线性变换级可以从Velmex inBloomfiled，NEW YORK买到。
在目前的最佳实施例中，变焦透镜用于以605mm的恒定系统EFL把光束聚焦在探测器系统上。该焦距产生的衍射受限PSF足够大，以便于探测器系统精确采样。目前用于EIQM的变焦透镜可以适用于光焦度在-0.5至+2.8折光度范围内的任何PAL镜片。变焦系统用CodeVTM(Optical Research Associates，Pasadena，California)设计，通过优化两个变焦透镜对于一系列位于测试透镜位置上的不同光焦度的傍轴透镜的轴上位置，使得整个系统的EFL保持为605mm，保持好的象质(在相对于PAL固定的象面上)。使用十三个透镜光焦度(给出13个不同的变焦位置)以便获得足够的数据，以便用高级多项式拟合变焦透镜的各个路径。这些变焦透镜相对于测试镜片移动所沿着的路径是非线性的，如图7所示。
在图4中，箭头58和60表示变焦透镜和它的各个元件的线性变换。如上所述，变焦透镜的操作是完全自动的而且由EIQM的计算机22控制。变焦透镜的两个线性变换轴由限位传感器开关启动并由计算机控制。一旦转动臂使得变焦透镜的光轴基本上平行于从测试透镜出射的光束，变焦透镜移动通过对于镜片上的每个微孔的多个指定测试位置，并由探测系统测量图象重量。
本领域的技术人员应该认识到其他透镜设计可以用于变焦系统。例如，目前正在开发用于EIQM具有较大光焦度范围的三片式变焦透镜。
VI.探测器系统几种不同的方法和探测器系统可以用于EIQM，以便测试象质。在目前的最佳实施例中，探测器系统包括摄像机62，用于测量光强度分布，通常称为PSF。
用于探测器系统的摄像机最好是电荷耦合器件(CCD)摄像机，由二维象素或探测器阵列构成。光学系统的真实PSF是连续的二维光强度分布。然而，当使用CCD测量PSF时，获得分离的二维强度值阵列，每个象素对应于一个。当计算PSF时，例如那些用于获得MTF的PSF，必须考虑用于PSF采样的象素间距和尺寸。
可以使用的另一种类型的阵列探测器是电荷注入器件(CID)。阵列探测器的基本要求是它的噪音低和动态范围大，使得可以看到PSF的精细特征。精确的PSF产生精确的MTF。在目前的最佳实施例中，512×512、14位的冷却CCD摄像机用于EIQM。适用于EIQM的CCD摄像机可以从Photometrics in Tuscon，Arizona买到。
在另一个实施例中，探测器系统是位于单元件探测器前面的扫描直边，以便测量图象的线扩散函数(LSF)。LSF提供沿着一个轴的象宽的度量。单元件探测器，例如硅光电二极管、光电倍增管、温差电探测器、以及热电堆探测器，只有一个只带一个输出端的探测面，而不是象CCD一样的探测器阵列，而且它们本身不能给出图象的空间分布。因此，必须移动直边、狭缝、或微孔通过位于这样的单元件探测器前面的图象，同时采样它们的输出，以便确定光的空间分布。
另外，通过LSF的付立叶变换可以获得单个方向上但是所有空间频率的MTF。通常，必须对横截面上对于直边的几个取向(例如0、45、90、以及135度)重复进行扫描直边测试，以便获得象质的一系列代表性数据。通过作为沿着光轴的一系列平面重复一系列四个LSF测量可以确定最佳焦点，并确定平均LSF宽度最小的平面。同一系列数据可以用于确定象散的数值和方向。
在另一实施例中，探测器系统包括能够测量与焦点附近光束有关的象质的干涉仪，例如剪切干涉仪或者Smartt Point DiffractionInterferometer(PDI)。这些干涉仪通过使得从同一光源分离出的两个波前干涉来测量与图象相关的波前差。通过这些测得的波前差，可以确定均方根(RMS)波前差。通过寻找PMS波前差最小的平面可以确定最佳焦点。
在目前的最佳实施例中，所有的EIQM元件安装在铝基板上。还设计了黑色有机玻璃的不透光罩，在操作中覆盖住系统。在盖的上部是通道板，为测试镜片提供通道。
VII.EIQM的校准在安装和调整完系统之后，应该校准EIQM。为此，初始系统安装和调整之后，检测EIQM，利用一系列高质量的试验透镜测量在变焦范围内的光焦度、象质/MTF、图象定心、以及系统EFL。测量的光焦度都在检定值的1％以内，图象都是衍射受限的，对于每个透镜保持过焦定心误差在±20象素以内，而且系统的EFL保持恒定误差为±5mm以内。利用放置在校准透镜前面的300线/英寸的光栅测量变焦范围内系统的EFL。那么利用CCD上的0和±1级分光计算EFL。
下面，检测装置以便测量象素。使用具有1.0D指定象散的两个单视镜片。首先利用精度为±0.05D的高质量透镜测试台测量每个镜片的几何中心处的象散。由EIQM测得的象散值的校准值在±0.1D范围内。
然后测量装置的PSFs/MTFs，不放置测试镜片，而且变焦设置为0D，对于所有面元设置(1、2、4、&10)(见部分VIII)。发现装置对于面元因子1&2是衍射受限的。对于面元因子4&10测得的MTF的失真与理论预测值匹配。然而，对于使用的面元选择规则，对于任何图象的截止频率应该适当低于使用的面元的失真频率。
上述校准过程最好定期进行，以便确保装置的连续测量精度。
VIII.利用EIQM的测试过程说明接收到未切割的测试镜片，上面有标签表示光学中心的位置、附加或阅读区、以及镜片的正确水平方向。利用这些标识，沿着镜片的边缘制作一系列对准标识，以便可以从镜片表面上除去工厂标签。然后，利用标识作为向导把镜片安装在EIQM上它的通常方向上。然后，设置希望的测试孔径直径。然后盖上上盖，并运行主装置的控制程序。程序的第一步是初始化所有级。使用限位开关初始化各级，然后把PAL设置在第一测试点上(位于镜片的几何中心)，变焦系统设置成-0.5D，然后调整臂使得图象定心在CCD上。
在每个测试点或微孔上，摄取20个图象，均匀分布在-0.5至+2.8D的变焦光学装置范围内。对于获得的每个过焦图象(例如见图8和9)，自动记录或计算下列参数对应于变焦位置的光焦度、图象中心位置、图象的径向变化、沿着和垂直于与图象吻合的线的图象宽(用于测量象散)、线状图象的角度、最大象散值、以及所有象散值的和。由过焦径向变化计算最佳焦点位置。抛物线与测得的20个过焦最小径向变化周围的数据拟合(见图2)。那么该拟合曲线的最小值是该微孔的最佳光焦度(单位为折光度)。然后移动变焦系统至这一位置，记录光焦度，并摄取PSF图象。也记录臂的角度位置以便确定棱镜度。
根据最佳聚焦图象(如同由径向变化确定的一样)的尺寸，可以分离(bim)摄取的最终图象(直到因子10)。分离邻近象散值的和以便产生较小的图象栅格。在初始测试期间，所有的摄取图象被适当分割产生50×50栅格以便分析。当使用值为1分割因子时，只使用CCD的中心50×50个象素。这样给出较小图象的最高分辨率。当使用分割因子10时，使用CCD的整个工作区，但是分辨率较低。对于较大的高象差图象这样做。图10示出最佳聚焦图象在整个PAL上的可能变化程度。设置分割因子避免后面从PSF计算得出的MTF的任何下降(即失真)。
然后移动PAL至下一个测试点，并再次把图象定心在CCD上，并重复上述过程。对于跟踪/定心，可以使用CCD(在每个方向上10倍分割)的整个512×512工作区。可以在整个PAL的任何希望系列位置上进行测试。图5示出包括103个微孔的说明图。在PAL的下部最好使用更密集的采样，下部的图象质量变化更快。
对于初始测试，整个测试过程由VisualBasicTM程序控制，该程序与马达控制器和探测器系统相互作用。为了完成103个微孔的测试，目前大约需要两个小时。产生的输出包括含有每个微孔的所有过焦数据的ASCII测试文件和每个微孔PSF图象文件。
IX.利用EIQM进行数据分析如上所述，在测试期间计算和记录对于每个测试微孔的光焦度。然后进一步进行数据分析以便确定每个微孔处的象散(数值和方向)、棱镜度(数值和方向)以及MTF。然后用获得的数据绘图以便产生容易说明的镜片图。
对于初始测试，只使用没有指定象散的PAL，以便只测量存在于镜片中的不希望的象散。利用过焦线状图象宽度数据确定由PAL的象散区形成的两个线状图象的位置，单位为折光度。该线状图象宽度是被沿着该线的图象宽度除最佳吻合线的图象宽度的结果。这样对于理想线给出0值，对于理想圆给出值1。对于象散图象，该线状图象的宽度作为光焦度函数，经绘图产生具有两个位于象散焦线处的两个最小值的曲线(见图3)。两个最小值位置之间的折光度差值给出象散值。较低光焦度的线状图象的角度给出象散的角度或轴。
由两个级臂的角度位置计算局部镜片棱镜度的值和方向。臂位置用角度表示，并变换为棱镜度以便于显示。
下面，对于每个PSF进行二维付立叶变换以便产生该微孔的MTF。利用适当比例计算作为角频率(例如周/毫弧度)的函数的MTF。然后对于每个微孔存储对应于20/20视度(1弧度线宽)的角频率的MTF(归一化为衍射受限值)。
通过这一数据，产生PAL整个表面上的光焦度、象散值、棱镜度值和归一化20/20MTF的2-D和3-D等高线或图(见图11-14)。也产生象散轴和棱镜度方向的矢量图(见图11C、11E以及12C、12E)。而且，也可以把数据绘成作为微孔位置函数的图(见图14C)。
上述的数据分析和绘图利用Mathematica 3.0.1TM完成，而且每个镜片需要大约1/2个小时。然而，本领域的技术人员应该理解可以使用其他适当的程序，以便完成必要的数据分析。
X.由EIQM产生的说明性镜片图利用EIQM测试了许多镜片。在这一部分，给出装置输出的例子。用于测试的PAL标为“LENS A”和“LENS B”，从不同的商家买来，两个镜片设定为具有0D距离校正和+2D附加光焦度。应该注意通常产生等高线并用彩色打印以便于说明，然而包括在这里类的图是黑白的，因此更难以识别。尽管如此，还是可以看出一般特征。
图12A中的等高线示出LENS B整个表面上的最佳光焦度。可以清楚地看到光焦度是怎样从上部、距离区的0D变化为左下部阅读或附加区的稍微超过+2D的。LENS A的光焦度图非常类似(见图11A)。如前所述，从低向高光焦度的过渡产生大量的象散。这可以从图11B(LENS A)和12B(LENS B)所示的象散值等高线清楚地看到。可以看到LENS B具有较宽的高象散区而且附加区的象散更大。象散矢量图示出镜片的上部和下部之间的平滑、连续数值和角度过渡(图11C和12C)。
此外，从图11D和12D中示出的归一化20/20 MTF等高线，刚好可以看到LENS A比LENS B好多少。对于LENS A，可以看到MTF在镜片的上部和附加区的中心高。在连接这两个区之间的“通道”上有所下降，而且在通道的两边区域内变得非常坏。对于LENS B，上部的高MTF区非常小，而且在附加区内也没有改变多少。
图13A和13B示出LENS A的两个完整MTF曲线，一个是距离区内的较好部分，一个是高象散区域。在每个图上总共有四个曲线，对应于0、90和±45度的3-D MTF切面。对于瞳孔直径为5mm在543nm的衍射受限MTF用短划线表示。
其他可以由EIQM自动生成的图和曲线示于图14A和14B中。EIQM的值在上述图和曲线中很明显，因为发现图象质量从一个镜片设计到另一个镜片设计变得很大。这样使得镜片设计者、镜片生产者、和/或验光医生可以精确而且客观地获得任何给定眼镜片的质量。对于任何测得的质量可以产生这样的曲线。
虽然已经示出和描述了本发明的各种实施例，但是显然本领域的技术人员可以进行许多改进而不脱离这里给出和描述的本发明原理。例如，虽然EIQM描述为能够测量-0.5至+2.8D范围内的光焦度，但是可以改进变焦透镜以便提高可测量的光焦度。此外，虽然EIQM特别适用于测量PAL的象质，但是当然它也可以用于测量任何类型眼镜片的象质，只要镜片的光焦度和象散在系统的测量范围内。因此，应该理解在所附权利要求范围内，可以用具体描述方式以外方式实施本发明。
权利要求
1.一种用于测试眼镜片的象质的自动光学测试装置，该装置包括照明系统，用于向测试镜片提供测试光束；定位系统，用于旋转测试镜片以便照明镜片上的不同区域，以便测试镜片上该区域上的象质；检测系统，用于记录和测量镜片的象质；以及变焦透镜，一旦光束通过镜片时用于以恒定有效焦距把光束聚焦到探测器系统上。
2.根据权利要求1所述的光学测试装置，其中所述定位系统围绕镜片后面的固定转动点转动镜片。
3.根据权利要求1所述的光学测试装置，其中所述变焦透镜可以沿着系统光轴相对于镜片移动。
4.根据权利要求3所述的光学测试装置，其中所述变焦透镜包括第一透镜和第二透镜，而且所述第二透镜可以沿着光轴相对于第一透镜移动。
5.根据权利要求1所述的光学测试装置，其中所述探测器系统位于离镜片固定的距离上。
6.根据权利要求1所述的光学测试装置，还包括调整臂，其中变焦透镜和探测器系统连接到调整臂上，而且其中的调整臂围绕镜片转动使得当镜片被定位系统转动时测试光束与探测器系统再次对准。
7.根据权利要求1所述的光学测试装置，还包括用于控制光学测试装置工作的微处理器。
8.根据权利要求1所述的光学测试装置，其中所述探测器系统包括用于自动测量由镜片上的位置产生的点扩散函数的装置。
9.根据权利要求1所述的光学测试装置，其中所述探测器系统还包括用于自动计算由镜片上的位置产生的调制传递函数的装置。
10.一种用于测试眼镜片的象质的自动光学测试装置，该装置包括光源，用于向镜片提供测试光束；定位系统，用于旋转镜片以便照明镜片上的不同区域，以便测试镜片上该区域上的象质；检测系统，用于记录和测量镜片的象质；变焦透镜，用于把光束聚焦在探测器系统上；以及调整臂，其中变焦透镜和探测器系统连接到调整臂上，而且其中的调整臂围绕镜片转动使得当镜片被定位系统转动时测试光束与探测器系统再次对准。
11.根据权利要求10所述的光学测试装置，还包括用于控制光学测试装置工作的微处理器。
12.根据权利要求11所述的光学测试装置，其中所述定位系统围绕镜片后面的固定转动点转动镜片。
13.根据权利要求12所述的光学测试装置，其中一旦光束通过镜片时，变焦透镜以恒定有效焦距聚焦光束。
14.根据权利要求13所述的光学测试装置，其中所述探测器系统包括用于自动测量由镜片上位置产生的光焦度、象散、棱镜度以及调制传递函数的装置。
15.一种用于测试眼镜片的象质的自动光学测试装置，该装置包括照明系统，用于向测试镜片提供测试光束；定位系统，用于旋转镜片以便照明镜片上的不同区域，以便测试镜片上该区域上的象质；检测系统，用于记录和测量镜片的象质；变焦透镜，用于把光束聚焦在探测器系统上；调整臂；以及微处理器，用于控制光学测试装置的工作；其中变焦透镜和探测器系统连接到调整臂上，而且其中光学测试装置能够测量镜片的光焦度、象散、棱镜度以及调制传递函数。
16.根据权利要求15所述的光学测试装置，其中所述定位系统围绕镜片后面的固定转动点转动镜片。
17.根据权利要求16所述的光学测试装置，其中一旦光束通过镜片时，变焦透镜以恒定有效焦距聚焦测试光束。
18.一种用于测试眼镜片的象质的方法，该方法包括下列步骤(a)用来自光源的测试光束照射镜片上的位置；(b)在光束通过镜片上的位置时，以恒定有效焦距把测试光束聚焦在探测器系统上；以及(c)测量镜片位置上的象质。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括旋转镜片以便照明镜片上的不同区域，以及重复上述步骤(a)至(c)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中转动步骤包括围绕镜片后面的固定转动点转动镜片。
21.根据权利要求18所述的方法，其中聚焦步骤包括围绕镜片转动探测器系统以便当镜片转动时测试光束与探测器系统再次对准。
22.根据权利要求21所述的方法，其中聚焦步骤进一步包括沿着系统光轴相对于镜片移动变焦透镜，以便保持有效焦距恒定。
23.根据权利要求18所述的方法，其中测量步骤包括测量镜片上位置的光焦度、象散、棱镜度以及调制传递函数。
24.根据权利要求18所述的方法，其中测量步骤包括测量镜片上位置的点扩散函数。
25.根据权利要求23所述的方法，其中测量步骤进一步包括变换点扩散函数以便获得镜片上位置的调制传递函数。
全文摘要
一种用于光学测试包括逐渐增加的镜片在内的眼镜片以便实现象质测量的装置和方法,包括照明系统,用于向测试镜片提供光束;测试镜片定位系统,用于旋转测试镜片以便照明镜片上的不同区域;变焦透镜,用于以恒定有效焦距聚焦光束;检测系统,用于记录和测量测试镜片的象质;以及调整臂,用于传输变焦透镜和检测系统,使得光轴保持与从测试镜片出射的光束对准。该装置完全自动,而且能够测量镜片表面上不同位置的光焦度、象散、棱镜度以及调制传递函数。
文档编号G01M11/00GK1268221SQ98807559
公开日2000年9月27日 申请日期1998年7月22日 优先权日1997年7月24日
发明者R·奇普曼, J·J·德鲁斯, J·B·哈达维 申请人:庄臣及庄臣视力保护公司