張豪平，羅 琳

（上海第二工業(yè)大學理學院，上海201209）

散光鏡片成像（焦線）的測量

張豪平，羅 琳

（上海第二工業(yè)大學理學院，上海201209）

針對眼視光專業(yè)散光眼矯正原理的教學內容，設計制作了散光鏡片成像原理教學演示儀。主要介紹了該裝置的測量原理、測試步驟、數據處理方法。本裝置在眼視光技術專業(yè)實驗演示教學中達到了良好的教學效果。

散光；焦線；測量；距離

0 引言

當眼睛在沒有調節(jié)的狀態(tài)下，外界的平行光線進入眼球經過屈光介質后，在視網膜上不能形成焦點的眼，稱為散光眼。形成散光眼屈光不正的光學原理，主要是由于眼睛的整個屈光系統(tǒng)在兩個子午線方向上的屈光力不同，因而不能在眼的視網膜上形成焦點，導致視力降低，并引起足以感覺到的光學缺陷[1]。規(guī)則散光按性質分類：單純性散光、復性散光、混合性散光[2]。目前國內普通高等院校眼視光技術專業(yè)的眼鏡光學課程在描述散光透鏡成像原理的過程中，主要是依靠教師通過黑板板書加繪圖的教學方法進行講解，學生對此內容的理解并不直觀，不利于正確理解光學成像原理。針對目前這種教學方法的現(xiàn)狀，我們精心設計制作了一種新型散光鏡片成像原理教學演示儀。目前，在國內普通高等院校的眼視光專業(yè)實訓教學中尚未見到該實驗教學演示裝置。新型實驗演示儀主要能夠讓學生正確和深刻地理解散光鏡片成像前焦線、后焦線距離和兩線之間所成夾角的關系，由此可以研究分析散光鏡片成像的特性。本文對這新型散光鏡片成像原理實驗演示儀的試驗原理、試驗方法、試驗數據和處理、實驗效果作簡要介紹。

1 試驗原理

本試驗采用的光源是半導體激光器。激光器發(fā)出的光波顏色為紅色，波長是650 nm，功耗為0.2毫瓦。激光具有下列特性：方向性好、單色性高、相干性好、亮度高，因此，本試驗無需在暗室條件下進行操作，可以直接在教室內進行演示實驗教學。半導體激光器還具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點。半導體激光器發(fā)出的光束具有較小發(fā)散角，光路是直徑較小的發(fā)散紅色光束。光學原理示意圖見圖1。由于紅色光束不能夠直接達到測量散光鏡片要求的直徑光斑，為此，我們需要在空間濾波并用擴束鏡對半導體激光器發(fā)出的紅色光束進行擴束處理。經過擴束處理的半導體激光器發(fā)出的紅色光束必須滿足三個條件：（1）光斑的直徑要足夠大（要求達到待測鏡片的直徑）；（2）輸出的紅色光束一定是平行光；（3）光斑能量盡可能均勻。

本試驗裝置選用了開普勒設計類型的望遠鏡進行擴束，使原來半導體激光器發(fā)出的紅色光束斑得到了明顯放大。同時，通過微調擴束鏡目鏡與物鏡之間的距離使擴束鏡輸出紅色光束為平行光，再通過像屏在光具座上前后移動位置，觀察像屏上的紅色光斑有無發(fā)生直徑大小的變化來證明是否是平行光：若前后移動像屏無光斑直徑大小變化，則此時為平行光輸出。像屏示意圖見圖2，可直接讀出光斑直徑大小的數值。然后，將待測規(guī)則散光正鏡片放入擴束鏡的物鏡與像屏之間。由于待測散光正鏡片在水平方向子午經向焦力與垂直方向子午經向焦力不同，依據幾何光學原理圖（圖1），散光鏡片在垂直方向的焦力大、焦距短，它所產生的焦線先到達光軸；在水平方向的焦力小、焦距長，它所產生的焦線后到達光軸[3]。通過用像屏在光具座上前后移動找到清晰的前、后焦線的成像位置，并從光具座毫米刻度讀數尺上分別讀出前、后焦線位置數值，同時也可以觀察到兩根焦線之間所形成的夾角是直角關系。

圖1 測量散光鏡片光學原理圖1. 半導體激光器；2. 擴束鏡的目鏡；3. 擴束鏡的物鏡；4. 待測散光鏡片；5. 像屏前、后移動位置Fig. 1 The optical principle diagram of astigmatic lens measurement

圖2 像屏毫米刻度、角度讀數示意圖Fig. 2 The diagram of Millimeter scale Imaging screen and angle

2 試驗方法

試驗的測量過程見示意圖3：實驗者先將導軌6放置于平整的桌面上，通過調節(jié)底腳8將導軌調至平穩(wěn)，將各個部件按圖3所示的位置放置于導軌上，通過高度調節(jié)螺母使1、2、3、4在同一高度，調節(jié)一維滑座7使儀器四個部件的光軸位于同一直線上，開啟半導體激光器電源，調節(jié)擴束鏡的目鏡同時觀察像屏上紅色光斑直徑大小達到待測量散光鏡片直徑的要求，前后移動光具座上的像屏，觀察像屏上的紅色光斑直徑大小是否變化。如紅色光斑有變化，通過調節(jié)擴束鏡的物鏡確保像屏前后移動使像屏上的紅色光斑大小無變化，即完成了對紅色光斑的放大和平行光的調整處理。

插入待測散光正鏡片，前后移動光具座上的像屏可以分別看到清晰的前、后焦線成像，通過光具座毫米刻度尺9分別多次測量，讀出前、后焦線的距離數值，同時可在像屏4上讀出前、后焦線位置的角度值，前焦線的角度值即為散光軸位，后焦線的距離數值減去前焦線的距離數值結果的倒數即為散光度數。

依據實驗室給定的兩塊散光正鏡片：（1）單純性散光正鏡片（1.5D）；（2）復性遠視散光鏡片（+2.00DS/+2.00DC），分別測量出這兩塊散光鏡片的前、后焦線的距離數值，并將測量的原始數據分別填入表1、表2內，正確處理原始數據計算結果。

圖3 測量散光鏡片實驗裝置結構示意圖1.半導體激光器三維調節(jié)支架；2. 開普勒擴束鏡；3. 待測散光鏡片支架；4. 像屏；5. 高度調節(jié)螺母；6. 導軌；7. 一維調節(jié)滑座；8. 底腳調節(jié)螺母；9. 毫米刻度讀數尺Fig. 3 The diagram of experimental device structure for measuring astigmatic lens

3 試驗原始數據和處理

3.1 單純性散光正鏡片焦線距離d的數據處理（見表1）

表1 單純性散光正鏡片（儀器最小分刻度為1 mm；儀器誤差?=0.5mm）Tab. 1 Pure astigmatic positive lens ( the min scale of equipment is 1mm; the difference of equipment ?is0.5mm)

3.2 復性遠視散光鏡片前焦線距離d的數據處理（見表2）

表2 復性遠視散光鏡片（儀器最小分刻度：1 mm；儀器誤差：?=0.5mm）Tab. 2 Composite property lens of Hyperopic astigmatism (the min scale of equipment is 1mm; the difference of equipment ?is0.5mm)

4 注意事項

(1) 光具座應保持清潔，光學鏡片表面切忽用手觸摸，如有灰塵請用專門的擦鏡紙輕輕擦拭。

(2) 試驗儀器應保存在干燥的場所。

(3) 試驗儀器應在低溫和室溫下工作，保證半導體激光器處于最佳工作狀態(tài)。

5 結束語

本裝置經對我校眼視光技術專業(yè)08、09屆學生實驗演示教學起到了良好的教學效果。裝置設計構思簡單巧妙、操作方便，使學生們更加清晰和直觀地了解散光透鏡片的光學成像原理。該實驗演示裝置是普通高等院校眼視光技術專業(yè)演示實驗教學中的理想專用實驗儀器。

[1] 徐廣第. 眼科屈光學[M]. 北京: 軍事醫(yī)學科學出版社, 2005.

[2] 齊備. 眼鏡驗光員[M]. 北京: 中國勞動社會保障出版社, 2008.

[3] 齊備. 綜合驗光儀的原理和操作方法[M]. 上海: 上?？茖W出版社, 2003.

The Measurements of Astigmatism Lens Imaging (Confocal Line)

ZHANG Hao-ping, LUO Lin
（School of Science, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China）

The instrument of astigmatism lens imaging is designed and produced in order to help the teaching of principal of astigmatic eyes correction in ophthalmic & optometry department. This paper mainly introduces the measuring principles of this instrument, testing steps and data processing methods. This instrument has achieved good teaching effects in the demo of ophthalmic & optometry techniques.

astigmatism; focus line; measurement; distance

R778.1+3

A

1001-4543(2011)04-0313-05

2011-05-19;

2011-06-29

張豪平（1959－），男，上海人，工程師，主要研究方向為眼視光技術專業(yè)實驗，電子郵箱hpzhang@sf.sspu.cn。