散光镜片成像（焦线）的测量

张豪平，罗 琳

（上海第二工业大学理学院，上海201209）

散光镜片成像（焦线）的测量

张豪平，罗 琳

（上海第二工业大学理学院，上海201209）

针对眼视光专业散光眼矫正原理的教学内容，设计制作了散光镜片成像原理教学演示仪。主要介绍了该装置的测量原理、测试步骤、数据处理方法。本装置在眼视光技术专业实验演示教学中达到了良好的教学效果。

散光；焦线；测量；距离

0 引言

当眼睛在没有调节的状态下，外界的平行光线进入眼球经过屈光介质后，在视网膜上不能形成焦点的眼，称为散光眼。形成散光眼屈光不正的光学原理，主要是由于眼睛的整个屈光系统在两个子午线方向上的屈光力不同，因而不能在眼的视网膜上形成焦点，导致视力降低，并引起足以感觉到的光学缺陷[1]。规则散光按性质分类：单纯性散光、复性散光、混合性散光[2]。目前国内普通高等院校眼视光技术专业的眼镜光学课程在描述散光透镜成像原理的过程中，主要是依靠教师通过黑板板书加绘图的教学方法进行讲解，学生对此内容的理解并不直观，不利于正确理解光学成像原理。针对目前这种教学方法的现状，我们精心设计制作了一种新型散光镜片成像原理教学演示仪。目前，在国内普通高等院校的眼视光专业实训教学中尚未见到该实验教学演示装置。新型实验演示仪主要能够让学生正确和深刻地理解散光镜片成像前焦线、后焦线距离和两线之间所成夹角的关系，由此可以研究分析散光镜片成像的特性。本文对这新型散光镜片成像原理实验演示仪的试验原理、试验方法、试验数据和处理、实验效果作简要介绍。

1 试验原理

本试验采用的光源是半导体激光器。激光器发出的光波颜色为红色，波长是650 nm，功耗为0.2毫瓦。激光具有下列特性：方向性好、单色性高、相干性好、亮度高，因此，本试验无需在暗室条件下进行操作，可以直接在教室内进行演示实验教学。半导体激光器还具有体积小、重量轻、效率高等优点。半导体激光器发出的光束具有较小发散角，光路是直径较小的发散红色光束。光学原理示意图见图1。由于红色光束不能够直接达到测量散光镜片要求的直径光斑，为此，我们需要在空间滤波并用扩束镜对半导体激光器发出的红色光束进行扩束处理。经过扩束处理的半导体激光器发出的红色光束必须满足三个条件：（1）光斑的直径要足够大（要求达到待测镜片的直径）；（2）输出的红色光束一定是平行光；（3）光斑能量尽可能均匀。

本试验装置选用了开普勒设计类型的望远镜进行扩束，使原来半导体激光器发出的红色光束斑得到了明显放大。同时，通过微调扩束镜目镜与物镜之间的距离使扩束镜输出红色光束为平行光，再通过像屏在光具座上前后移动位置，观察像屏上的红色光斑有无发生直径大小的变化来证明是否是平行光：若前后移动像屏无光斑直径大小变化，则此时为平行光输出。像屏示意图见图2，可直接读出光斑直径大小的数值。然后，将待测规则散光正镜片放入扩束镜的物镜与像屏之间。由于待测散光正镜片在水平方向子午经向焦力与垂直方向子午经向焦力不同，依据几何光学原理图（图1），散光镜片在垂直方向的焦力大、焦距短，它所产生的焦线先到达光轴；在水平方向的焦力小、焦距长，它所产生的焦线后到达光轴[3]。通过用像屏在光具座上前后移动找到清晰的前、后焦线的成像位置，并从光具座毫米刻度读数尺上分别读出前、后焦线位置数值，同时也可以观察到两根焦线之间所形成的夹角是直角关系。

图1 测量散光镜片光学原理图1. 半导体激光器；2. 扩束镜的目镜；3. 扩束镜的物镜；4. 待测散光镜片；5. 像屏前、后移动位置Fig. 1 The optical principle diagram of astigmatic lens measurement

图2 像屏毫米刻度、角度读数示意图Fig. 2 The diagram of Millimeter scale Imaging screen and angle

2 试验方法

试验的测量过程见示意图3：实验者先将导轨6放置于平整的桌面上，通过调节底脚8将导轨调至平稳，将各个部件按图3所示的位置放置于导轨上，通过高度调节螺母使1、2、3、4在同一高度，调节一维滑座7使仪器四个部件的光轴位于同一直线上，开启半导体激光器电源，调节扩束镜的目镜同时观察像屏上红色光斑直径大小达到待测量散光镜片直径的要求，前后移动光具座上的像屏，观察像屏上的红色光斑直径大小是否变化。如红色光斑有变化，通过调节扩束镜的物镜确保像屏前后移动使像屏上的红色光斑大小无变化，即完成了对红色光斑的放大和平行光的调整处理。

插入待测散光正镜片，前后移动光具座上的像屏可以分别看到清晰的前、后焦线成像，通过光具座毫米刻度尺9分别多次测量，读出前、后焦线的距离数值，同时可在像屏4上读出前、后焦线位置的角度值，前焦线的角度值即为散光轴位，后焦线的距离数值减去前焦线的距离数值结果的倒数即为散光度数。

依据实验室给定的两块散光正镜片：（1）单纯性散光正镜片（1.5D）；（2）复性远视散光镜片（+2.00DS/+2.00DC），分别测量出这两块散光镜片的前、后焦线的距离数值，并将测量的原始数据分别填入表1、表2内，正确处理原始数据计算结果。

图3 测量散光镜片实验装置结构示意图1.半导体激光器三维调节支架；2. 开普勒扩束镜；3. 待测散光镜片支架；4. 像屏；5. 高度调节螺母；6. 导轨；7. 一维调节滑座；8. 底脚调节螺母；9. 毫米刻度读数尺Fig. 3 The diagram of experimental device structure for measuring astigmatic lens

3 试验原始数据和处理

3.1 单纯性散光正镜片焦线距离d的数据处理（见表1）

表1 单纯性散光正镜片（仪器最小分刻度为1 mm；仪器误差∆=0.5mm）Tab. 1 Pure astigmatic positive lens ( the min scale of equipment is 1mm; the difference of equipment ∆is0.5mm)

3.2 复性远视散光镜片前焦线距离d的数据处理（见表2）

表2 复性远视散光镜片（仪器最小分刻度：1 mm；仪器误差：∆=0.5mm）Tab. 2 Composite property lens of Hyperopic astigmatism (the min scale of equipment is 1mm; the difference of equipment ∆is0.5mm)

4 注意事项

(1) 光具座应保持清洁，光学镜片表面切忽用手触摸，如有灰尘请用专门的擦镜纸轻轻擦拭。

(2) 试验仪器应保存在干燥的场所。

(3) 试验仪器应在低温和室温下工作，保证半导体激光器处于最佳工作状态。

5 结束语

本装置经对我校眼视光技术专业08、09届学生实验演示教学起到了良好的教学效果。装置设计构思简单巧妙、操作方便，使学生们更加清晰和直观地了解散光透镜片的光学成像原理。该实验演示装置是普通高等院校眼视光技术专业演示实验教学中的理想专用实验仪器。

[1] 徐广第. 眼科屈光学[M]. 北京: 军事医学科学出版社, 2005.

[2] 齐备. 眼镜验光员[M]. 北京: 中国劳动社会保障出版社, 2008.

[3] 齐备. 综合验光仪的原理和操作方法[M]. 上海: 上海科学出版社, 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

张豪平（1959－），男，上海人，工程师，主要研究方向为眼视光技术专业实验，电子邮箱hpzhang@sf.sspu.cn。