一种医用光学元件内部缺陷检测装置

技术领域

本申请涉及医用光学元件检测技术领域，具体涉及一种基于光学的医用光学元件内部透光缺陷的检测装置

背景技术

医用光学元件，通常包括有机玻璃、光学镜片等，是医院常见的采购物品，这类医用光学元件往往厚度非常薄，诸如隐形眼镜，且通常具有高精度的质量要求，当这些医用光学元件被采购回医院，医院有专门的部门负责对这类光学元件的质量进行检测，其中一个检测方面即是对这类光学元件进行缺陷检测。

通常而言，医用光学元件的缺陷大致可分为边缘缺陷和内部缺陷，其中边缘缺陷主要包括边缘破片和毛边等常见缺陷，内部缺陷主要包括有气泡、黑点、破洞以及伤痕等常见缺陷。而医院中应用最为广泛的检测仪器是投影放大机，通过获取医用光学元件的投影放大结果，来快速检查有机玻璃或镜片边缘以及表面瑕疵，针对内部缺陷的品质缺陷检测也经常采用光学成像法来进行分析，利用光学成像获取的图像进行图像处理，通过灰度或亮度对比等方式来判断是否有内部缺陷。

上述光学成像法对于诸如黑点等不透光的缺陷检测，能够保证具有比较高的检测精度，但是对于某些特殊的内部缺陷，如气泡等透光的缺陷，其会造成图像的灰度变化不明显，肉眼难以准确判断出是否有缺陷，造成上述光学成像法的精度不够，容易出现误判的问题。

因此，针对医用光学元件的上述内部透光缺陷，急需一种新的检测方法来弥补普通的光学成像法在精度的不足，本申请致力于解决这一技术问题。

发明目的

为解决上述技术问题，本申请提供一种医用光学元件内部缺陷检测装置，将携带有待测医用光学元件轮廓信息的光进行剪切和相移干涉，基于“五步相移法”将干涉图转换为相位图，并根据相位图的灰度变化，检测出待测医用光学元件是否含有内部透光缺陷。

为此，本申请提供一种医用光学元件内部缺陷检测装置，用于检测医用光学元件内部是否具有透光缺陷，其特征在于，包括光源模组和剪切干涉模组，其中

光源模组包括依次沿光路设置的卤素光源(1)、彩色滤波片(2)、平凸透镜(3)、第一偏振片(4)和第一平面镜(5)；

剪切干涉模组包括依次沿光路设置的Savart棱镜(6)、第二平面镜(7)、1/4波片(8)、第二偏振片(9)以及CCD相机(10)，所述Savart棱镜的剪切距离为ΔX；

所述医用光学元件内部缺陷检测装置的光源行径路线为：

卤素光源(1)发出的光波经由彩色滤波片(2)进入平凸透镜(3)，形成高同调度的平行光束，平行光束进入第一偏振片(4)后，第一偏振片(4)用于将非偏振态的平行光束转换成0°的线性偏振态，形成偏振光L，继而通过第一平面镜(5)将偏振光L反射至剪切干涉模组中；

待测医用光学元件置于第一平面镜(5)与Savart棱镜(6)之间的光路；

进入Savart棱镜(6)的偏振光L携带了医用光学元件的轮廓信息，从Savart棱镜(6)穿出的偏振光L被剪切为两道偏振态相互垂直的oe偏振光L1和eo偏振光L2，且L1的波前向左位移一个剪切距离ΔX。

两个偏振光L1和L2随后通过第二平面镜(7)反射至由1/4波片(8)和第二偏振片(9)构成的相移机构，发生相移干涉，CCD相机(10)拍摄获得偏振光L1和L2的干涉图，基于“五步相移法”将干涉图转换为相位图，并根据相位图的灰度变化，检测出待测医用光学元件是否含有内部透光缺陷。

优选地，彩色滤波片(2)用于增加卤素光源的同调度，以防止Savart棱镜的剪切距离ΔX过大时，导致偏振光L1和L2无法正常发生干涉。

优选地，所述Savart棱镜(6)包括两片完全相同的双折射晶体，光波经过第一面双折射晶体后，被分为两道偏振态相互垂直的e光和o光，两道偏振光经过第二面双折射晶体后，偏振态相互转换，形成偏振态相互垂直的oe偏振光和eo偏振光，oe偏振光和eo偏振光沿着对角线做剪切，且两者间横向剪切量为ΔX。

优选地，“五步相移法”的工作原理为：

当两个偏振光发生干涉时，干涉光强I可以表示为：

其中，I

令I

I＝I

1/4波片(8)和第二偏振片(9)构成的相移机构，使偏振光L1和L2进行相移干涉，第二偏振片(9)的旋转角α/2可转换为相移角α的相移干涉；

分别令α＝﹣π、﹣π/2、0、π/2和π，即通过旋转五次第二偏振片(9)进行相移，有如下等式成立：

I

I

I

其中，I

联立上述五个等式，即可得到：

根据上式即可解得相位量φ，由此可根据干涉图各点的相位量信息绘出相位图，完成干涉图到相位图之间的转换。

本申请的有益效果是：

本申请提供了一种新的光学检测技术思路来检测医用光学元件的内部透光缺陷，通过采用Savart棱镜(6)来对偏振光进行剪切干涉，利用相移机构对剪切后的eo光和oe光进行相移干涉，基于“五步相移法”求解出干涉图的相位量信息，从而将干涉图转换为相位图，由于正常医用光学元件与具有透光缺陷的医用光学元件，两者的相位量不同，通过普通光学成像难以辨别待测医用光学元件是否具有内部透光缺陷，但是基于本申请的技术方案，携带有待测医用光学元件轮廓信息的偏振光L在发生剪切和相移干涉后，导致干涉光强有强烈的对比度改变，体现在相位图中就是相比于普通的光学成像，相位图的灰度变化更加明显，也就是说，考虑到这类医用光学元件的内部透光缺陷会影响其轮廓信息，通过普通光学成像技术无法检测待测医用光学元件是否具有内部透光缺陷，采用本申请的技术方案，通过观察剪切和相移干涉后的相位图的灰度变化，可以快速地确定出该医用光学元件是否具有内部透光缺陷。

附图说明

附图1为本申请的检测装置的结构示意图；

附图2为本申请的Savart棱镜的光学原理图；

附图3a为含有内部透光缺陷的隐形眼镜的普通光学成像图；

附图3b为含有内部透光缺陷的隐形眼镜基于本申请技术方案的所获得的相位图；

附图3c为附图3a的局部放大图；

附图3d为附图3b的局部放大图；

附图3e为附图3a的垂直灰度变化示意图；

附图3f为附图3b的垂直灰度变化示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本说明书以隐形眼镜为例来阐述本专利对医用光学元件的内部缺陷检测装置的技术方案，众所周知，隐形眼镜是医学上应用较为普遍的用于矫正视力的辅助工具，其相比于普通眼镜的优势是不言而喻的，且现在越来越多视力障碍者选择去医院检查视力及购买镜片，考虑到医用光学元件需要与病人的眼睛长时间的接触，因此，品质检测对隐形眼镜的正常使用有着非常重要的影响，为了不影响医用光学元件的使用效果，医院方面必须对采购的隐形眼镜进行全面的检测，内部缺陷检测是其中的重要一环。

参见附图1，本申请提供一种医用光学元件内部缺陷检测装置，包括光源模组和剪切干涉模组，其中，光源模组包括依次沿光路设置的卤素光源(1)、彩色滤波片(2)、平凸透镜(3)、第一偏振片(4)和第一平面镜(5)；剪切干涉模组包括依次沿光路设置的Savart棱镜(6)、第二平面镜(7)、1/4波片(8)、第二偏振片(9)以及CCD相机(10)，其中待测医用光学元件为隐形眼镜，且该待测隐形眼镜置于第一平面镜(5)与Savart棱镜(6)之间的光路。

优选地，参见附图2，本申请使用的Savart棱镜(6)包括两片完全相同的双折射晶体，当光波经过第一面双折射晶体后，光波会被分为两道偏振态相互垂直的e光(extraordinary ray)和o光(ordinary ray)，这两道偏振光经过第二面双折射晶体后，偏振态相互转换，即原本的e光转为o光，o光转为e光，简称eo光或oe光，eo光和oe光沿着对角线做剪切，且两者间横向剪切量为ΔX。

上述检测装置的光源行径路线可如下表示：

卤素光源(1)发出的光波经由彩色滤波片(2)进入平凸透镜(3)，其中，彩色滤波片(2)的作用是增加卤素光源(1)的同调度，之所以如此设置，是因为当Savart棱镜(6)的剪切距离ΔX过大时，有可能会因为光源的低同调度而导致无法发生干涉，因此，本申请在卤素光源(1)后方设置彩色滤波片(2)，来增加卤素光源(1)的同调度，以保证光波在剪切干涉模组中的剪切干涉。

平凸透镜(3)的作用是用于形成平行光束，平行光束进入第一偏振片(4)后，第一偏振片(4)用于将非偏振态的平行光转换成0°的线性偏振态，形成偏振光L，继而通过第一平面镜(5)将偏振光L反射至剪切干涉模组中。

由于待测隐形眼镜设置于第一平面镜(5)与Savart棱镜(6)之间，因此，进入Savart棱镜(6)的偏振光L携带了隐形眼镜的轮廓信息，当上述偏振光L穿过Savart棱镜(6)后，根据上述Savart棱镜(6)的工作原理可知，偏振光L会被剪切为两道偏振态相互垂直的oe偏振光L1和eo偏振光L2，且L1的波前向左位移一个剪切距离ΔX；

两个偏振光L1和L2随后通过第二平面镜(7)反射至由1/4波片(8)和第二偏振片(9)构成的相移机构，发生相移干涉。

可选地，上述相移机构可以是QP相移机构，即1/4波片(8)对应Q镜片，第二偏振片(9)对应P镜片，采用旋转偏振片法来实现QP相移，第二偏振片(9)的旋转角α/2可转换为相移角α的相移干涉，换句话说，旋转第二偏振片(9)π/4，即可形成π/2相位差的相移干涉，相关的QP相移数学原理属于现有技术，本申请不再对其进行赘述。

值得注意的是，之所以要设置上述相移机构，是因为即使oe偏振光L1和eo偏振光L2发生干涉，并由CCD相机(10)拍摄获得干涉图，也无法直接从干涉图中分析出待测隐形眼镜的轮廓信息，通常的做法是将干涉图转换为相位图，通过相位图来判断待测隐形眼镜的轮廓信息是否正常，由此检测出待测隐形眼镜是否具有内部透光缺陷。

而将干涉图转换为相位图的关键在于获得干涉图中各点的相位量信息，以下介绍基于上述相移机构的“五步相移法”来获得相位量的求解原理：

首先，根据干涉原理，当两个偏振光发生干涉时，干涉光强I可以表示为：

其中，I

令I

I＝I

为求解这一公式，本申请通过五次旋转第二偏振片(P镜片)进行相移，令相应的相移角分别为α＝﹣π、﹣π/2、0、π/2和π，因此有如下等式成立：

I

I

I

其中，I

联立上述五个等式，即可得到：

根据上式即可解得相位量φ，由此可根据干涉图各点的相位量信息绘出相位图，由于正常隐形眼镜与具有透光缺陷的隐形眼镜，两者的相位量不同，通过普通光学成像难以辨别待测隐形眼镜是否具有内部透光缺陷，但是基于本申请的技术方案，携带有待测隐形眼镜轮廓信息的偏振光L在发生剪切和相移干涉后，导致干涉光强有强烈的对比度改变，体现在相位图中就是相比于普通的光学成像，相位图的灰度变化更加明显，也就是说，通过普通光学成像技术无法检测待测隐形眼镜是否具有内部透光缺陷，采用本申请的技术方案，通过观察剪切和相移干涉后的相位图的灰度变化，可以快速地确定出该隐形眼镜是否具有内部透光缺陷。

进一步地，附图3为应用本申请的技术方案进行隐形眼镜内部透光缺陷检测的实例结果图，作为对比，本次实例选取一个具有内部透光缺陷的隐形眼镜，通过对比分析普通光学成像技术和本申请技术方案获得的相位图，来表明本申请技术方案的优势性。

相比于普通光学成像获得的附图3a，从附图3b可以较为明显地看出隐形眼镜镜片的上方及左下各有明显缺陷，并可进一步通过附图3c和3d的放大特写图进行上述佐证。

同时，还可以通过附图3e和3f来比较隐形眼镜内部透光缺陷所造成的灰度值变化，附图3e的垂直灰度值分布大概在173～189区间，而附图3f的垂直灰度值分布大概在105～161区间，区间值由16放大到56，可见，在普通光学成像技术无法检测出待测隐形眼镜是否具有内部缺陷，尤其是内部透光缺陷的基础上，利用本申请的技术方案，可以快速、有效地通过分析剪切和相移干涉后的相位图的灰度变化，检测出待测隐形眼镜是否具有内部透光缺陷。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所述的本发明的实施例只作为举例而不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方法可以有任何形式或修改。