一種角膜接觸鏡綜合檢測儀及其聚焦評價算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種角膜接觸鏡綜合檢測儀及其聚焦評價算法。包括光學(xué)成像裝置、電子目鏡、載物臺、升降裝置、數(shù)字百分表、單片機和平板電腦及其相應(yīng)的測量控制軟件。目鏡和物鏡間設(shè)有準(zhǔn)直光管，載物臺上下方還分別設(shè)置LED斜射照明裝置和暗場照明裝置。數(shù)字百分表探頭和載物臺相接觸，數(shù)字信號輸出到控制器。升降裝置包括固定在底座上的立臂、安裝在立臂上的導(dǎo)軌和步進電機和可通過電磁離合器切換實現(xiàn)可變速升降的齒輪齒條傳動裝置。步進電機和電磁離合器均由控制器控制。本發(fā)明還集成了鏡片表面質(zhì)量檢測和鏡片直徑測量功能，實現(xiàn)了鏡片的智能化測量，提高了檢測效率和測量精度。
【專利說明】一種角膜接觸鏡綜合檢測儀及其聚焦評價算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種角膜接觸鏡綜合檢測儀及其聚焦評價算法。
【背景技術(shù)】
[0002]角膜接觸鏡在驗配和生產(chǎn)過程中，需要對鏡片的基弧曲率半徑、鏡片直徑和表面質(zhì)量進行精確的測量和檢測。目前是分別采用基弧儀、直徑尺和體視顯微鏡三種設(shè)備來進行檢測的，每次都需要重新對鏡片進行裝卸、定位和調(diào)焦，操作過程復(fù)雜、檢測效率低。鏡片的基弧曲率半徑要保證檢測誤差小于0.02mm,目前需要手工調(diào)節(jié)和肉眼觀察來判斷鏡片清晰度，讀取百分表數(shù)據(jù)。測量結(jié)果受人為因素影響較大，且操作者易疲勞，這大大降低了測量精度和工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種角膜接觸鏡綜合檢測儀及其聚焦評價算法，該檢測儀及其聚焦評價算法將鏡片基弧曲率半徑檢測和表面質(zhì)量檢測功能集成于一體，且測量過程實現(xiàn)了數(shù)字化和自動化，這大大提高了測量精度和檢測效率。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的角膜接觸鏡綜合檢測儀采用了以下技術(shù)方案: 系統(tǒng)由光學(xué)成像裝置、電子目鏡、載物臺、升降裝置、數(shù)字百分表、單片機和平板電腦及
其相應(yīng)的測量控制軟件組成。
[0005]采用自準(zhǔn)直法進行鏡片基弧曲率半徑的測量。
[0006]具體地說，所述的電子目鏡為采用CXD圖像傳感器的電子目鏡或采用CMOS圖像傳感器的電子目鏡，該電子目鏡通過USB數(shù)據(jù)線和平板電腦相連。
[0007]所述的目鏡和物鏡間設(shè)有準(zhǔn)直光管，所述的準(zhǔn)直光管由LED燈源、分劃板、聚焦透鏡和棱鏡組成。
[0008]所述的百分表為數(shù)字百分表，該數(shù)字百分表一端通過數(shù)字百分表的探頭和載物臺相接觸，另一端通過控制線和控制器相連，將數(shù)字信號輸出到控制器。
[0009]所述的控制器以單片機為核心，可記錄數(shù)字百分表的實時測量數(shù)據(jù)，并具有步進電機細(xì)分驅(qū)動電路。通過信號線和平板電腦相連。
[0010]所述的升降裝置包括固定在底座上的立臂、安裝在立臂上的導(dǎo)軌和用于驅(qū)動載物臺運動的步進電機；所述的導(dǎo)軌上裝有可垂直升降運動的載物臺；所述的步進電機的輸入端與控制器的輸出端相連，輸出通過電磁離合器和齒輪齒條升降傳動裝置帶動載物臺沿導(dǎo)軌作垂直升降運動。所述的齒輪齒條傳動裝置具有粗調(diào)快進和細(xì)調(diào)慢進兩種方式。載物臺上下方分別設(shè)置LED斜射照明裝置和暗場照明裝置。
[0011]所述的步進電機由單片機控制器驅(qū)動，通過電磁離合器和齒輪齒條升降傳動裝置相連，根據(jù)測量行程的不同階段使電磁離合器吸合或釋放，以及改變驅(qū)動步進電機的脈沖頻率，以控制載物臺的快進粗調(diào)和微調(diào)運動。所述的升降導(dǎo)軌為交叉滾柱導(dǎo)軌，以獲得較高的測量精度和較長的使用壽命。[0012]所述的暗場照明裝置設(shè)在所述的底座上，光闌可通過手輪調(diào)整。斜射照明裝置設(shè)在物鏡下方，照射角度可以通過球形關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)。
[0013]本發(fā)明的另一目的在于提供一種角膜接觸鏡綜合檢測儀的聚焦評價算法，該算法簡化了運算，提高了測量效率。該算法包括以下步驟:
(1)通過平板電腦設(shè)置亮度采樣閾值和采樣時間間隔和空間間隔；
(2)軟件驅(qū)動電子目鏡按一定時間間隔進行實時圖像采集，得到亮度采樣值；
(3)程序根據(jù)對亮度采樣值的分析，判斷待測鏡片相對于合焦點的位置，通過控制器發(fā)送相應(yīng)控制信號給電磁離合器和步進電機，使載物臺按合適的速度進給(要求距離合焦點越近,進給越慢)。
[0014](4)在程序中啟動聚焦評價線程，對采集的圖像矩陣進行二值化處理，并統(tǒng)計亮點個數(shù)。在亮度大于閾值的情況下，亮點個數(shù)達(dá)到極小值時，表明已處于合焦位置。
[0015](5)通過數(shù)字百分表測出整個行程中兩個合焦位置的距離即待測鏡片的基弧曲率半徑。
[0016]具體地說，步驟(3)中所述的對亮度采樣值進行分析的具體過程為:
若亮度采樣值小于所設(shè)定的閾值，則表明尚未到達(dá)聚焦區(qū)域，控制器控制電磁離合器和步進電機，驅(qū)動載物臺快速進給。當(dāng)亮度采樣值大于所設(shè)定的亮度閾值，則表明已接近合焦位置，控制器控制電磁離合器和步進電機，使載物臺按與亮度采樣值成反比的速度進給。當(dāng)亮度采樣值接近最大值時，表明已非常接近合焦點，載物臺以很慢的速度微調(diào)進給以準(zhǔn)確地判斷合焦位置。
[0017]本發(fā)明所述的聚焦評價算法的原理為:
由于是在動態(tài)測量過程中進行聚焦評價分析，常規(guī)的算法會因占用較多時間而無法保證測量的實時性。根據(jù)圖樣特點和實驗研究，本發(fā)明選擇了將圖像像素亮度和二值化后亮點個數(shù)結(jié)合起來進行聚焦評價分析，取得了良好的效果。該算法的基本思路是:光學(xué)分劃板刻有若干密集的水平和垂直直線，對這些線條的圖像進行數(shù)字二值化處理，聚焦不良時，圖像線條亮度較低，邊緣模糊，二值化后的像素亮點數(shù)較多。而當(dāng)處于最佳聚焦?fàn)顟B(tài)時，圖像線條亮度接近極大值。同時因邊緣清晰，二值化后的像素亮點數(shù)出現(xiàn)極小值，即到達(dá)合焦位置。如果分別對X和Y軸方向進行像素亮點數(shù)極小值的統(tǒng)計分析，還可以實現(xiàn)對復(fù)曲面的兩個方向的曲率半徑Rx和Ry進行測量。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點:
(I)本發(fā)明實現(xiàn)了角膜接觸鏡鏡片的曲率半徑測量的數(shù)字化和自動化，減少了人為因素對測量的影響。在光學(xué)自準(zhǔn)直測量法的基礎(chǔ)上，用電子目鏡替代光學(xué)目鏡，用計算機圖像識別系統(tǒng)分析聚焦清晰度來代替人眼觀察，同時通過計算機控制步進電機進行調(diào)焦，通過數(shù)字百分表的數(shù)據(jù)接口自動獲取和記錄測量結(jié)果，實現(xiàn)了測量的數(shù)字化和智能化。
[0019](2)本發(fā)明實現(xiàn)了鏡片基弧曲率半徑和鏡片表面質(zhì)量的綜合檢測。通過在檢測儀上設(shè)置準(zhǔn)直光管進行鏡片基弧曲率半徑的檢測，同時在待測鏡片正下方設(shè)置暗場照明裝置，通過分析鏡片表面的圖像檢測鏡片表面質(zhì)量。實現(xiàn)了將鏡片基弧曲率半徑和表面質(zhì)量檢測功能集成于一體。簡化了檢測過程,提高了檢測效率。
[0020](3)本發(fā)明各光源均采用大功率的LED光源，通過多位開關(guān)切換。測量基弧時使用準(zhǔn)直光管的光源。檢測表面質(zhì)量時采用物鏡下方的暗場照明光源，利用散射效應(yīng)使待測角膜接觸鏡鏡片表面的劃痕和瑕疵都能產(chǎn)生清晰的圖樣供分析檢驗。
[0021](4)本發(fā)明所述的聚焦評價算法根據(jù)該檢測儀所采集圖像的特點，分別沿X軸和Y軸進行以一定間隔進行抽樣統(tǒng)計。該算法不僅大大減少了計算時間，還可對X軸和Y軸兩個方向分別得出評價結(jié)果，解決了復(fù)曲面鏡片(如ToriC)基弧具有Rx和Ry兩個不同曲率半徑值的測量問題。
[0022]綜上所述，本發(fā)明檢測儀根據(jù)實際測量需要，采用簡潔的聚焦函數(shù)評價算法，不僅實現(xiàn)了鏡片基弧曲率半徑測量的數(shù)字化和自動化，還將鏡片基弧曲率半徑檢測和表面質(zhì)量檢測功能集成于一體，大大提高了測量精度和檢測效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中:
1、目鏡，2、準(zhǔn)直光管，3、物鏡，4、鏡片，5、載物臺，6、齒輪齒條傳動裝置，7、升降導(dǎo)軌，8、步進電機，9、暗場照明裝置，10、底座，11、數(shù)字百分表，12、平板電腦，13、手動調(diào)焦旋鈕，14、控制器，15、電磁離合器，16、LED斜射照明裝置。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明:
實施例1
如圖1所示的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，包括目鏡1、物鏡3、載物臺5、百分表11。具體地說，目鏡I為電子目鏡，目鏡I和物鏡3間設(shè)有準(zhǔn)直光管2，百分表11為數(shù)字百分表，載物臺5下方固設(shè)有升降裝置，升降裝置上設(shè)有暗場照明裝置9。具體地說，準(zhǔn)直光管2包括依次相連的LED燈源、分劃板、聚焦透鏡和棱鏡。所述的物鏡3的正下方設(shè)有LED暗場照明裝置。電子目鏡I采用CMOS圖像傳感器。數(shù)字百分表11通過探頭和載物臺5相接觸，輸出信號端通過控制線和控制器14相連。在載物臺5上固設(shè)有用于定位鏡片4檢測位置的定位裝置。用于定位鏡片4檢測位置的定位裝置包括方形托盤和活動安裝在方形托盤上方的可旋轉(zhuǎn)圓形托盤，圓形托盤沿圓周設(shè)有4個定位凹槽，方形托盤上固設(shè)有彈簧定位塊。通過定位裝置上凹槽和定位塊的配合，可實現(xiàn)鏡片的快速安裝定位。
[0026]通過在檢測儀上設(shè)置準(zhǔn)直光管2，采用準(zhǔn)直法測量曲率半徑，保證了較高的測量精度。在光學(xué)自準(zhǔn)直測量法的基礎(chǔ)上，用電子目鏡替代光學(xué)目鏡，用計算機圖像識別系統(tǒng)分析聚焦清晰度來代替人眼觀察，同時通過計算機控制步進電機和電磁離合器驅(qū)動升降臺升降進行調(diào)焦，通過數(shù)字百分表的數(shù)據(jù)接口自動獲取和記錄測量結(jié)果，實現(xiàn)測量的數(shù)字化和自動化。
[0027]該檢測儀同時在待測鏡片4的正下方設(shè)置暗場照明裝置9進行鏡片表面質(zhì)量的檢測。通過暗場照明裝置9，利用散射效應(yīng)，使待測角膜接觸鏡鏡片4的表面劃痕和瑕疵都能產(chǎn)生清晰的圖樣供分析檢驗，以實現(xiàn)鏡片表面質(zhì)量檢測的智能化。
[0028]進一步的，電子目鏡I通過USB數(shù)據(jù)線和平板電腦12相連。控制器14通過信號線和平板電腦12相連。通過平板電腦12和控制器14控制檢測儀檢測過程，實現(xiàn)了檢測的數(shù)字化和自動化。[0029]進一步的，所述的升降裝置包括導(dǎo)軌7、固定安裝在導(dǎo)軌7下方的底座10和用于控制載物臺運動的步進電機8 ;所述的步進電機8的輸入端與控制器14的輸出端相連，輸出通過電磁離合器15和升降齒輪齒條傳動裝置6相連。
[0030]所述的升降裝置包括固定在底座10上的立臂17、安裝在立臂17上的導(dǎo)軌7和用于驅(qū)動載物臺運動的步進電機8。所述的導(dǎo)軌7上裝有可垂直升降運動的載物臺5 ;所述的步進電機8的輸入端與控制器14的輸出端相連,輸出通過電磁離合器15和齒輪齒條傳動裝置6帶動載物臺5沿導(dǎo)軌作垂直升降運動。所述的齒輪齒條傳動裝置具有粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種進給方式。電磁離合器15連接步進電機8與升降齒輪齒條傳動裝置6，在控制器14的控制下，得電吸合時帶動快進裝置，斷電時帶動慢進裝置，在粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種方式之間切換，可有效地節(jié)省檢測時間。
[0031]電子目鏡將圖像采集到平板電腦，相應(yīng)的測量程序采集數(shù)字圖像的像素亮度和分析圖像聚焦?fàn)顟B(tài)，輸出控制指令給控制器，控制器驅(qū)動步進電機和電磁離合器，控制載物臺的快速或慢速升降，數(shù)字百分表測出升降過程中兩次合焦的位置數(shù)據(jù)，并將該位置數(shù)據(jù)通過控制器傳給平板電腦，從而計算出待測鏡片的基弧曲率半徑。
[0032]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于上述角膜接觸鏡綜合檢測儀的聚焦評價算法，該算法包括以下步驟:
(1)通過平板電腦設(shè)置亮度閾值和采樣間隔；
(2)根據(jù)采樣間隔，控制器發(fā)送控制信號驅(qū)動電子目鏡進行實時圖像采集；
(3)根據(jù)所設(shè)定的閾值和亮度采樣最大值，對亮度采樣值進行分析；
(4 )控制器根據(jù)分析結(jié)果，控制器發(fā)送相應(yīng)控制信號給步進電機，使步進電機驅(qū)動升降齒輪傳動裝置以不同速度進給；
(5)啟動聚焦評價線程，對采集的圖像矩陣進行二值化處理，并分別沿X軸和Y軸統(tǒng)計分析統(tǒng)計亮點數(shù)。當(dāng)亮度接近極大，亮點數(shù)極小時即為合焦點。
[0033]具體地說，步驟(3)中所述的對亮度采樣值進行分析的具體過程為:
若亮度采樣值小于所設(shè)定的閾值，則表明尚未到達(dá)聚焦區(qū)域，控制器發(fā)送控制信號給步進電機，使步進電機驅(qū)動升降齒輪齒條傳動裝置帶動載物臺快速進給。當(dāng)亮度采樣值大于所設(shè)定的閾值，則表明已接近聚焦區(qū)域，控制器發(fā)送控制信號給步進電機，驅(qū)動升降齒輪齒條傳動裝置帶動載物臺以和所采集到的亮度成反比的速度進給。當(dāng)亮度采樣值接近最大值時，載物臺將以極慢速度進給，以保證測量的精度。
[0034]本發(fā)明的具體使用過程如下:
本發(fā)明角膜接觸鏡綜合檢測儀，根據(jù)實際測量需要，在升降導(dǎo)軌7 —側(cè)設(shè)有手動調(diào)焦旋鈕13，所以該檢測儀既可以采用手動方式進行檢測，又可以采用自動方式進行檢測。當(dāng)采用手動操作方式測量鏡片基弧曲率半徑時，首先將待測鏡片4通過載物臺5上的定位裝置裝于物鏡3下方中心點，選擇IOX物鏡，打開準(zhǔn)直光管2內(nèi)LED光源的開關(guān)；其次將載物臺5從下限位置開始提升，通過目鏡I或計算機屏幕觀察三線米字分劃板的像至最清晰位置(可分辨出三條直線)，此時將數(shù)字百分表11復(fù)位歸零；再次將載物臺5繼續(xù)提升，目鏡I或計算機屏幕觀察米字分劃板的像再次至最清晰位置；最后，讀取數(shù)字百分表11數(shù)據(jù)，即為待測鏡片基弧曲率半徑。當(dāng)采用手動操作方式測量鏡片表面質(zhì)量時，首先將待測鏡片4通過定位裝置裝于物鏡3下方中心點，選擇2X物鏡，打開物體下方暗場照明光源9的開關(guān)；其次通過顯微鏡手動調(diào)焦旋鈕13調(diào)至鏡片表面圖像清晰，通過目鏡I或計算機屏幕觀察分析鏡片表面質(zhì)量。
[0035]當(dāng)采用自動操作方式測量鏡片的基弧曲率半徑測量時，首先將待測鏡片4通過定位裝置裝于物鏡3下方中心點；然后啟動計算機上檢測軟件，選擇基弧曲率半徑測量功能，由該軟件通過控制器14控制步進電機8驅(qū)動載物臺5升降，并通過聚焦評價算法記錄數(shù)字百分表11在兩次清晰成像的位置，其高度差即為待測基弧曲率半徑。當(dāng)采用自動操作方式測量鏡片的表面質(zhì)量時，首先將待測鏡片4通過定位裝置裝于物鏡3下方中心點，選擇2X物鏡，打開物體下方透射光源9的開關(guān)；然后啟動計算機上檢測軟件，選擇表面質(zhì)量分析功能。通過圖像分析軟件，根據(jù)劃痕和疵點的大小和數(shù)量判斷其表面質(zhì)量是否合格。
[0036]以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，包括目鏡(I)、物鏡(3 )、載物臺(5 )和百分表(11)，其特征在于:所述的目鏡(I)為電子目鏡，所述的目鏡(I)和物鏡(3)間設(shè)有準(zhǔn)直光管(2)，所述的百分表(11)為設(shè)在載物臺(5)上方的數(shù)字百分表，所述的載物臺(5)下方設(shè)有升降裝置，所述的升降裝置上設(shè)有暗場照明裝置(9 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:所述的電子目鏡(O為采用CXD圖像傳感器的電子目鏡或采用CMOS圖像傳感器的電子目鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:所述的數(shù)字百分表(11) 一端通過數(shù)字百分表的探頭和載物臺(5)相接觸，另一端通過信號線和控制器(14)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:所述的升降裝置包括固定在底座(10)上的立臂(17)、安裝在立臂(17)上的導(dǎo)軌(7)和用于驅(qū)動載物臺運動的步進電機(8);所述的導(dǎo)軌(7)上裝有可垂直升降運動的載物臺(5);所述的步進電機(8)的輸入端與控制器(14)的輸出端相連,輸出通過電磁離合器(15)和齒輪齒條升降傳動裝置(6)帶動載物臺(5)沿導(dǎo)軌作垂直升降運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:所述的電子目鏡(I)通過USB數(shù)據(jù)線和平板電腦(12)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:所述的控制器(14)通過信號線和平板電腦(12)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:所述的升降導(dǎo)軌(7 )采用交叉滾柱導(dǎo)軌，且對稱分布在底座(10 )上。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀，其特征在于:載物臺下方裝有暗場照明裝置(9 )，所述的物鏡(3 )下方設(shè)有LED斜射照明裝置(16 )。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀的聚焦評價算法，其特征在于:該算法包括以下步驟: (1)通過平板電腦設(shè)置亮度閾值和采樣時間間隔和空間間隔； (2)根據(jù)采樣間隔，平板電腦驅(qū)動電子目鏡進行實時數(shù)字圖像采集，得到亮度采樣值； (3)通過軟件對亮度值進行采樣，并根據(jù)采樣結(jié)果向控制器發(fā)送不同的進給指令； (4)控制器根據(jù)進給指令驅(qū)動步進電機和電磁離合器，通過升降齒輪齒條傳動裝置使載物臺以不同的方向和速度升降； (5)在亮度超過閾值的位置區(qū)間，測量軟件啟動聚焦分析線程，對采集的數(shù)字圖像矩陣進行二值化處理，并分別沿X軸和Y軸進行亮點數(shù)的分析統(tǒng)計，依據(jù)圖像在合焦時具有亮度最高、直線最細(xì)的特征進行聚焦評價。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種角膜接觸鏡綜合檢測儀的聚焦評價算法，其特征在于:步驟(3)中所述的根據(jù)亮度采樣值控制升降的具體過程為: 若亮度采樣值小于閾值，表明距離合焦位置較遠(yuǎn)，故向控制器發(fā)送快速進給指令，電磁離合器吸合，步進電機通過快進傳動機構(gòu)使載物臺快速進給； 當(dāng)亮度采樣值大于亮度閾值，則表明已接近合焦區(qū)域，則根據(jù)亮度采樣值計算合適的進給速度控制步進電機驅(qū)動載物臺升降；亮度越高，表明越接近合焦點，進給必須越慢以保證測量精度。
【文檔編號】G02C13/00GK103792686SQ201410039469
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】王小立 申請人:歐普康視科技（合肥）有限公司