焦度计非线性误差

/ 宁波市计量测试研究院

0 引言

信息社会高速发展，80%的信息可通过人的眼晴获得，良好的视力对人至关重要。据统计近50%的人需要视力矫正，最常用的辅助视力矫正的手段就是配戴眼镜，从传统的近视、远视常规镜片，到现在特殊用途的双光镜片、多焦点镜片、渐进多焦点镜片、非球面镜片和防控镜片等自由曲面镜片，镜片发展可谓日新月异，而制造镜片和配镜检查都必须使用准确的计量设备，焦度计的应用由此产生[1][2]。

1 焦度计强检

焦度计[3]是用于测量眼镜镜片（含角膜接触镜片）的顶焦度和棱镜度，确定镜片的光学中心、轴位和打印标记，检查镜片是否正确安装在镜架中的测量仪器[4]。焦度计根据测量对象分为测量眼镜镜片用和测量角膜接触镜用两种。镜片质量和配镜的质量直接影响配镜者视力健康，焦度计是镜片生产和配镜检查必备的国家强制计量检定仪器，是镜片生产和消费者配镜的质量保证。2019年10月23日市场监管总局发布实施强制管理计量器具新目录，焦度计仍在其中。

2 非线性误差

JJG580-2005《焦度计》检定规程中对于非线性误差是这样定义的：由于软件过修正或其他非正常原因导致焦度计在镜片不同轴位方向所给出的测量值不一致、示值呈非规律性变化的误差。非线性误差[5]在JJF1292-2011焦度计型式评价大纲中属于主要性评价项目。

产生非线性误差的主要原因有：一些仪器生产厂家为了追求通过计量检定，用非正常的软件修正方法将焦度计的顶焦度示值调整为与标准镜片的标准值完全一致，却在标准镜片标称值以外的地方出现非对称、非规律性变化的示值误差，其中主要表现在单散和球-柱联合镜片的柱镜度示值上。还有一些生产厂家为了降低生产成本，未能认真调试仪器，导致出现焦度计光源的发散分布不均匀，或其他非正常现象，从而产生柱镜度示值的非线性误差。焦度计在测量整数球镜度，甚至高度数球镜度，如±20.00D和±25.00D时，准确度调为0.01D时，在球镜度中心还未对准的情况下也完全没有误差，但在测量非线性误差时，误差就非常大。

非线性误差的测量方式为八角柱镜片测量：即将外形为八角状（每角45°）的+1.50m-1和-1.50m-1的柱镜标准片[6]分别置于支座上，使其任意一角的工作面紧靠可调挡板，柱镜标准片与可调挡板一起移动，同时调焦使镜片所成的亮线通过度盘分划板的中心，并读取相应的顶焦度示值。然后顺时针旋转柱镜标准片，将与其相邻的角的工作面再次紧靠可调挡板，重复上面的动作，再次读取相应的顶焦度示值。依此类推，分别得到八个工作面的顶焦度测量值后，读取其中最大值与最小值之间的偏差作为非线性误差。

非线性误差有以下表现形式，如一个镜片的验光处方为 -1.00Ds+0.50Dc×90°，翻方后为 -0.50Ds-0.50Dc×180°。假设在焦度计未设置同号的情况下得到的测量值为 -1.05Ds+0.58Dc×90°，转换为同号时理论上就应该得到 -0.47Ds-0.58Dc×180°，但由于仪器存在非线性误差，就可能得到完全不同的转换值，或为-0.51Ds-0.54Dc×180°，或为其他值。

3 非线性误差实验数据

采用八角柱镜片和球-柱联合镜片的三种不同 镜 片， 即 +1.50Dc、-1.50Dc、-2.00Ds-1.50Dc对同一台焦度计（LM-1800P）进行非线性误差测量。测量结果表明（见表1），LM-1800P自动对焦式焦度计所测得的非线性误差较接近，均达到JJG 580-2005所规定的二级标准焦度计柱镜度非线性误差的要求。

同时，用三种不同镜片分别对四台不同的焦度计（LM-1800P、TL-6700、CL-2800、CCQ-800）进行非线性误差测量，测量结果表明（见图1）四台焦度计均达到JJG580-2005所规定的二级标准焦度计柱镜度非线性误差的要求。-2.00Ds-1.50Dc球-柱联合镜片同样可以取代±1.50Dc八角柱镜片，满足规程中对于非线性误差的测量要求。

ISO8598-1：2014《光学与光学仪器，焦度计，通用仪器仪表》的6.6.2条款采用的也是八角柱镜标准镜片方法，同时规定使用优质的-2.00Ds-1.50Dc球-柱联合镜片也可以对非线性误差进行校准。实验结果与国际标准使用方法的结果相吻合，国家标准采用八角柱镜片，同时支持使用优质的球-柱联合镜片。

焦度计在球-柱转换时产生的示值误差就是所谓“非线性误差”的一种表现形式。当被测镜片处于允差临界点时，会因为焦度计的非线性误差而超差。

表1 柱镜片、球-柱联合镜片八个方位测量结果（LM-1800P）

图1 不同焦度计非线性误差

4 结语

非线性误差检测是为了发现通过柱镜度示值所暴露出的非对称误差，实践证明，使用优质的球-柱联合镜片或八角柱镜片，都能较好地满足焦度计非线性误差检定要求。因此，在各国专家坚持下，ISO8598-1-2014焦度计国际标准规定使用优质的-2.00Ds-1.50Dc球-柱联合镜片对非线性误差进行校准，以降低校准成本，实践证明效果较好。此外，当被测镜片处于允差临界点时，会因为焦度计非线性误差而超差。因此，检定证书中给出的非线性误差的大小对焦度计检测结果的可靠性具有重要意义。