摘要：提出一种数字投影式顶焦度测量的技术方案。根据此方案设计的焦度测量仪，通过精密机械传动，嵌入以单片微型计算机为核心的硬件控制系统和软件处理系统，对眼镜镜片球镜顶焦度、球柱镜顶焦度及轴位角等进行了测量。它通过光学投影的方式进行对焦，测量活动标尺的平动量和转动量来计算相应参数，并利用液晶 LCD 显示结果。采用一种动态基准存储技术，通过预先存储的动态基准来计算顶焦度，可以有效消除系统误差，提高测量精度。对产品样机的试验结果表明，顶焦度的测量精度达到±0.03D。
引 言
眼镜镜片的球镜度、散光度、棱镜度、光心等参数都由顶焦度测量仪来测量，因此顶焦度测量仪作为保证眼镜产品和配镜质量的眼镜参数测量仪器之一，其准确性尤为重要。目前，我国生产眼镜测量仪器的企业大多还在生产 20 世纪七、八十年代的目视式老产品，读数间隔为0.12D 或0.25D(D 为顶焦度单位，1D=1m-1)，比国外的数字式、自动数字显示式产品低1-2 个数量级，且质量不稳定，合格率较低，难以保证眼镜检测的精确度。国家质检总局在 2002 年10 月公布的眼科光学计量仪器产品质量国家监督抽查结果显示，顶焦度测量仪合格率仅为71%。因此，研制开发出质量可靠、操作方便、精度更高的顶焦度测量仪具有现实意义和市场前景。本文作者提出一种采用光学投影的方式，通过精密传动及精密电位传感，嵌入以单片微型计算机为核心的硬件控制系统和软件处理系统，实现对球镜顶焦度(也称球镜度)和球柱镜顶焦度(也称散光度)及轴位角等进行测量的技术方案。采用本技术方案可研制出较高档次的数字投影式顶焦度测量仪，以满足我国眼镜检测仪更新换代的需要。
1 仪器工作原理
数字投影式顶焦度测量仪的光学原理如图1[1-3]。图中包含两组光学透镜1 和2，3是被测镜片，5 是刻有标志线的透明玻璃(即标尺)，在光源(图中未画出)的照明下，标尺变亮，可以在投影屏4 上形成清晰的像。在被测镜片顶焦度Φv为0 或者未放入被测镜片时，移动标尺5，使其在投影屏上面清晰成像。这时标尺所在位置为透镜1 的物方焦点，记为初始位置。然后将被测镜片3(Φv≠ 0)放入光路中，由于被测镜片的折射作用，投影屏上的像变模糊。为了使投影的标尺像再次变清晰，需要移动标尺的位置，直到被测镜片的折射作用被抵消(即图中所表示的状态)。
由于f1′是个大小恒定的常数，被测镜片顶焦度Φv将与标尺的移动距离成正比。另外，轴位角等于标尺转动的角度。为了使单片机控制测量系统能够得到标尺的转动量和平动量，设计了两组传感器，如图2 利用精密齿轮与齿条的配合，首先将标尺的平动量变成转动量，然后再利用电位计变换，即可将转动量变化为电压值输出。图3 为仪器的结构原理。1 为光源，2 为聚光镜，3 为滤色镜，4 为照明反射镜，5 为标记分划板及齿轮传动机构。6 为准直光管物镜，7 为镜片支座，8 为被测镜片，9 为投影物镜，10, 11 为投影反射镜，12 为投影屏。仪器主要由光学系统、精密机械结构系统、位移和角度传感器、单片机接口控制系统及嵌入式软件系统几部分组成.
2 测量控制硬件、软件系统
测量控制系统结构框图如图4。标尺的转动量和移动量由传感器转化为电信号，采样保持之后通过AD 器件转换为数字量进入单片机。单片机进行运算之后，将结果显示在液晶显示屏上。显示屏除了显示测量的镜片参数外，还显示测量功能、测量状态和出错信息。键盘设计有一个复位键，七个功能键。当操作发生错误时，扬声器发出报警声。照明系统在仪器无操作的一定时间后自动熄灭，在有按键输入或者标尺位置发生改变时，光源灯管将重新点亮。
软件根据图4 的系统功能进行模块化设计，主要由主程序、信号采集程序、参数运算程序、显示控制程序、打印控制程序、声音控制程序和基准存储程序等构成。软件系统在复位以后，主程序首先进行初始化，然后循环采集信号，扫描键盘，根据所需实现的功能调用相应的模块程序。仪器在正式使用之前要进行基准的存储，没有存储基准的仪器将无法工作。基准是指使用国家标准镜片进行测量得到的标准数据。存储基准的目的是为了消除系统误差，确保仪器测量的精确性。在仪器使用一段时间后，有可能因为机械磨损或松动等产生系统误差，此时可以重新存储新的基准。
3 仪器误差分析
(10)式表明，在使用(5)式作为顶焦度计算式时，所有线性的系统误差被有效地消除。但是仪器仍然存在非线性系统误差。在推导(4)式的过程中，令z=0。但现实中由于装配误差以及各种镜片后顶点位置不同，z只有在少数情下才会等于0，此时以(4)式进行计算会带来非线性的系统误差。为了减少非线性系统误差，可以增加基准的个数。另外，为了消除测量过程中存在的随机误差，采用多次测量求平均的方法。例如，A/D 转换器采集十组数据求平均后再参加运算，则量化误差将大大减小。
4 实验结果
在研制成功的新型数字投影式焦度计样机上采用 10 种国家标准镜片进行动态基准存储后，对镜片顶焦度作多次实测，结果如表1。
5 结 论
本文提出一种采用光学投影的方式，通过精密机械传动，嵌入以单片微型计算机为核心的硬件控制系统和软件处理系统，实现对眼镜镜片球镜顶焦度、球柱镜顶焦度及轴位角等进行测量的技术方案。根据此方案，设计、研制出一种数字投影式顶焦度测量仪。它通过光学投影的方式进行对焦，然后测量活动标尺的平动量和转动量来计算相应参数，并利用液晶 LCD 显示结果。采用一种动态基准存储技术，通过预先存储的动态标准来计算顶焦度，有效地消除了线性系统误差，非线性系统误差也减小到较低程度。所介绍的数字投影式顶焦度测量仪已研制出样机，经实验证明，它具有投影图像清晰、读数直观、操作方便、性能稳定等优点，其读数间隔为 0.01D, 0.06D, 0.12D, 0.25D 四档，顶焦度测量范围 0-±25D，测量精度达到±0.03D，轴位角测量精度优于±1°。目前该仪器正进行产业化改进，不久将推向市场。
参考文献：
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基金项目：教育部高等学校骨干教师资助计划项目资助 (2661)
作者简介：廖海洋(1956-)，男(汉族)，广西北流人，副教授，主要从事计量测试技术、智能化光电仪器等方面的研究。E-mail：hyliao@cqu.edu.cn.
