（仪器科学与技术专业论文）数字投影式焦度计的设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 i 摘要 我国是一个拥有超过十三亿人口的国家，随着人们的生活水平不断提高， 眼镜的需求量越来越大。眼镜镜片的球镜度、柱镜度、棱镜度、轴位角、光心 等光学参数都由焦度计来测量，因此焦度计作为保证眼镜产品和配镜质量的眼 镜测量仪器之一，其准确性尤为重要。本文作者在深入了解了眼镜度数测量的 原理之后，设计了一种数字投影式焦度计。 将被测的眼镜镜片放入该焦度计中，在光学投影的辅助下完成对焦，转动 轴位角旋钮到合适位置，被测镜片的度数将显示在液晶显示屏上，也可以将测 量结果在仪器自带的微型打印机中打印出来。 该仪器以单片机为核心处理器。在操作仪器进行测量的过程中，刻有十字 的标尺产生了平动和转动。设计了两组传感器分别将其转换成对应的电信号。 电信号由一个 12 位的 ad 转换器转换成数字量，进入单片机。单片机在对输入 的数字量进行运算之后，将结果以数字的方式显示出来。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。按键时，单片机控制扬声器发出相应的按键声。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一定时间后，将自动熄灭。 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。 试验数据显示仪器测量精度高达0.017d，优于国家标准要求的0.06d。 整个测量过程具有操作简单，读数直观的优点。 文章全面阐述了整个测量系统的设计过程。首先介绍了与眼镜镜片测量相 关的背景知识，接着介绍了测量原理和仪器实现的功能，然后详细说明了电子 测量控制系统的设计，最后对仪器的误差和试验数据进行了分析。 关键词：眼镜度数，焦度计，单片机 重庆大学硕士学位论文英文摘要 ii abstract the population of our country is more than 1.3 billion. with the improvement of civil living conditions, the requirement on spectacles is fast growing. the parameters of spectacle lens, such as spherical power, astigmatic power, prismatic power and optical center are measured by focimeter. so focimeter is one of the most important instruments to ensure the quality of spectacles and plays an important role in the consumption of spectacles. as a result, the veracity of focimeter is significant. with the deep understanding of how to detect the lens power of spectacle, a digital focimeter of projection type is designed. firstly put the spectacle to be tested in the focimeter. then focus to produce a sharp image on the projection screen by turning two knobs properly. the lens power will display on the lcd.also the result can be printed by an integrated mini printer. the instrument has a single- chip as its central part. when it is under operation, a staff marking a cross will translate and rotate. the translation and rotation are transduced into respective electric signals. the two signals are sent to an ad converter via an analog switch asynchronously. then they become digital signals and go into the single chip. after calculation, the lens powers are worked out and sent to a lcd screen. the screen also shows current measuring function and state. a keyboard contains 7 function keys and one reset key. a speaker gives out key- click sound and some other, like error alarm. the lamp will be turned off automatically if there is no operation in about 3 minutes. once the keyboard is clicked or the staff is moved it will be turned on again immediately. the software system splits into modules including the main function, signal sampling, parameter calculating, lcd display, print control, sound control and standard storing. each is relative to necessary functions. experiment shows the precision is 0.017d that is better than the national standard 0.06d.the instrument offers clear projection, intuitional output, easy operation and stable performance. the paper presents the entire design in detail. at first the background knowledge is introduced. then the measure principle is analyzed. then the hardware and software system is explained.at last error and experiment data are given. keywords： spectacle lens power, focimeter, mcu 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1绪论 1.1 眼镜与眼镜仪器 眼镜是矫正眼球屈光、保护眼睛健康和提高视觉功能的一种特殊的医疗器具。 眼镜与每个人都有着密切关系，由于屈光不正、老视，或出于保健、美观的目的， 几乎人人均需要配戴眼镜。随着科学的发展和人们对视觉要求的提高，理想的眼 镜不仅应带来清晰的视觉，还应让戴镜者获得舒适的感觉、持久的近距阅读和高 品位的外观。 1.1.1 眼镜是一种医疗器具 需要强调指出，眼镜是一种医疗器具1，是眼视光学中主要的光学矫正方法。 无论是传统、经典的眼科学还是现代的眼视光学，其基本治疗手段是：手术、药 物和光学矫正。在传统医疗服务模式中，人们往往生病后才求医，大多数人也是 出现疾病症状后才开始治疗因此以化学药物和手术为主，光学矫正为辅。随着 人们对健康概念的认识发生变化，在信息科技时代，拥有良好视觉是现代社会文 明最重要的健康标志之一，越来越多的人通过眼保健服务的方式在早期发现视觉 问题，并且通过眼镜的光学矫正获得良好的视功能效果。因此，随着社会的进步 和发展，光学矫正已经成为眼视光学医疗服务中的主要手段之一，被称为“光学 药物” ，因为它不仅达到屈光矫正的目的，而且还是恢复和拥有良好视觉功能等方 面的重要手段。 人们常常注重眼镜的物理属性，而忽略了眼镜与人眼的生理和病理的关系。 眼镜不仅是光学器具，具备商品性，更是特殊的器具，即医疗器具。镜片材料、 设计或参数上的任何问题都可能引起作为身体局部组织的眼的问题发生，从而不 仅影响视觉，甚至影响人的全身健康。因此，许多国家政府立法部门制定了一系 列条文规定以保证镜片质量及在使用时的安全性和有效性。 1.1.2 快速发展的国产眼镜仪器业 仪器设备作为眼镜行业的重要组成部分，对于推动行业的技术创新和专业化 水平的提高，有着极其重要的作用，在一定程度上，关系到整个眼镜行业的健康 发展。近年来，随着眼镜行业的快速扩张，眼镜仪器设备也呈现出繁荣发展的局 面2。在北京和上海等大型国际展会上，仪器设备的品种和数目繁多，成为中国眼 镜行业内的一大亮点。尤其是国产仪器设备，在打破最初的由进口设备垄断国内 主要市场“ 一统天下” 的格局后，在不长的时间内，迅猛增长，占据了国内市场相当 大的份额。同时，国产仪器设备企业数量快速增长，产品质量、技术含量及企业 管理水平不断上升。仪器设备业已成为眼镜行业的重要部分。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 国产眼镜仪器设备业影响力从无到有， 从小到大， 国内市场占有率已超过 50%， 而且出现了一批颇具市场影响力的企业和产品。 上世纪 80 年代初，中国眼镜行业从长期计划经济的停滞状态中开始复苏，国 产仪器基本上处于空白状态，其市场占有率和影响力微乎其微，基本上处于空白 状态，进口仪器设备占据了垄断地位。在这种艰难的条件下，国产仪器企业开始 了自己的创业之路。如今，一批国产仪器企业，在激烈的市场竞争中，脱颖而出， 其影响力稳步上升，其产品的市场占有率也不断扩大。粗略统计，目前，在生产 眼科验光配镜等相关设备的国产企业中，太原中北新缘科技中心，多年来以全自 动电脑验光仪为主打产品，近年来又致力于查片仪的生产，在国内市场上具有较 高的知名度；上海康拓主要从事生产销售小型设备；杭州天工则主要生产综合试 片仪；北京中远享通主要生产组合台；宁波二轻工业研究院生产的查片仪占据了 国内相当的市场份额，同时具有一定的知名度；上海经联主要生产磨边机、验光 仪，以及生产组合台、查片仪等，产品具备较高的知名度；南京莱特公司主要生 产磨边机，拥有一定的市场占有率；上海东门子公司多年来以验光仪的生产、销 售为主；上海雄博精密仪器有限公司则主要生产全自动磨边机、综合验光组合台、 自动验光仪、 投影仪、 综合检眼仪等相关设备， 其中全自动磨边机年产量超过 2000 台，综合验光组合台年产量超过 1500 台，其它产品年产量均超过 1000 台，企业 正朝规模化的方向稳步发展。 在一批国产仪器设备企业不断发展壮大，并打破国外进口仪器垄断国内市场 局面的同时，如今，国产仪器已占据了国内市场的“ 半壁江山” ，并呈现出继续上升 的势头。另一方面，在一些传统种类的仪器产品中，国产仪器的性能和质量与进 口的外国仪器相差不大，例如，以焦度计为例，国内产品在测量精度及重复误差 方面基本处于同一水平。正因为如此，有关人士断言：目前国内市场，国产仪器 在部分经济和技术指标上，已经与进口国外仪器平分秋色。 1.2 现有的眼镜度数测量仪器 焦度计是眼镜度数的测量仪器。在数字投影式焦度计上市之前，市场上有三 种不同类型的焦度计， 分别是目视式焦度计、 投影式焦度计和自动数显式焦度计3。 传统的焦度计是目视式的，又称直读式焦度计。这种焦度计由光学元件和机 械传动机构组成。将被测镜片放在测帽上后，人眼紧贴目镜观察，转动调节手轮， 像操作显微镜一样，操作者整个过程都要处于紧张状态，使用十分不便。测量结 果从调节手轮的刻度盘上读取，读数间隔为 0.125d 或 0.25d。在使用一段时间后， 仪器老化，合格率下降，基本上就不能用了。 普通的投影式焦度计对目视式焦度计做了改进，用投影屏代替了目镜观察装 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 置，方便了对焦过程。但是它采用的读数形式仍然是和目视式焦度计一样，读数 精度也没有上升。这种焦度计的优点是克服了因目镜对焦不准而造成的测量误差。 自动数显式的特点就是，只要操作者将镜片放在正确的位置，不需要其他主 观判断，按下控制按钮，被测镜片的光学参数将自动显示出来，测量方便快捷。 同时由于使用了传感器进行测量，读数的分辨率比前两种上升了一个数量级，达 到 0.01d。当然它的缺点也是十分明显的，进口产品高达 20000 元的单价，国产也 需要 7000-8000 元左右的单价，对中小眼镜店而言仍是比较大的开支。 1.3 研制数字投影式焦度计的意义 重庆远视科技有限公司是我国视光学产品检测仪器主要的专业生产厂家和出 口厂家。该公司重视技术投入，产品具有创新特点，其专利产品 ljy-1 型角膜接 触镜检测仪、hx-2 型瞳距测量仪填补了国际、国内同类产品的空白，为此荣获“ 重 庆市高新技术企业” 称号。2004 年，重庆远视科技有限公司与我实验室合作开发数 字投影式焦度计。该仪器的设计采用投影式焦度计的投影测量方式，并在其基础 上加入电子测量系统，利用 lcd 显示测量结果，具有打印输出功能。独特的设计 使其具有自动数显式焦度计读数直观、测量精度高的优点，价格又相当有竞争力。 而其创新性的动态基准存储技术使得机器损耗、老化后的重新标定变得十分容易。 基本上每家眼镜店都配备有标准镜片箱，只要进行适当的操作，配镜工作者都能 对数字投影式焦度计进行再次标定。经过标定，该仪器基本可以恢复到新机器的 性能。该产品推向市场后很快显示了其强大的竞争力，现已经远销欧美、东南亚、 中东、非洲等地，成为该公司又一款拳头产品。 1.4 主要的研究内容 本课题主要的研究内容包括： 图 1.2 三种已有的焦度计 从左到右：目视式、投影式、自动数显式 fig 1.2 3 kinds of present focimeter, from left to right: ocular type, projection type, automatic 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 1、研究眼镜镜片度数的测量方法，提出合适的测量方案。 2、根据测量原理设计仪器结构。 3、设计电子控制系统，利用电子系统辅助测量并数字显示测量结果。 4、提出控制测量误差的有效方法，必须实现测量精度优于国家标准要求的 0.06d。 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 5 2 仪器结构及工作原理 本章摘要 首先给出数字投影式焦度计所要测量的光学参数的定义。比较了五种不同的测量焦距的 方法，从中得到适合作为电子测量的一种，利用该方法设计了仪器的基本结构。分析了仪器 的工作原理。最后介绍了仪器的操作方法。 2.1 眼镜镜片的主要光学参数 数字投影式焦度计要测量的光学参数包括球镜度、柱镜度、棱镜度、双光镜 的远用度数与阅读附加等。它们的定义各种资料略有不同，下面的定义主要根据 是国家标准 gb17341- 1998， 中华人民共和国国家标准光学和光学仪器焦度 计4和人民卫生出版社出版的眼镜学 。 2.1.1 顶焦度 vertex power 镜片后顶点（指配戴时靠近眼球的一面）至焦点的截距（以米为单位，下简 称截距）的倒数5。一个镜片有前顶焦度和后顶焦度，通常把眼镜片的后顶焦度定 为镜片的顶焦度。顶焦度的表示单位为米的倒数（m -1） ，单位名称为“屈光度” ， 符号为“d” 。 顶焦度用大写英文字母 f 表示。计算公式有两个： 1 f f （2.1.1a） （2.1.1a）式表明：当镜片放置方向为光线前定点后顶点时，后顶 焦度为象方截距的倒数。 把镜片的方向左右对换，得到另一个公式 图 2.1.1a 眼镜镜片的顶焦度 fig 2.1.1a vertex power of eyeglass lens h f f 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 6 1 f f （2.1.1b） （2.1.1b）式表明：当镜片放置方向为光线后定点前顶点时，后顶 焦度为物方截距的倒数。 注意：式子(2.1.1a)与（2.1.1b）没有本质区别。对于同一个镜片而言，图 2.2.1a 中的象方截距就是图 2.2.1b 中的物方截距。 但由于眼镜镜片的焦度定义不 同于一般透镜的定义，根据其定义，非薄透镜的前顶焦度和后顶焦度不相等，即 存在 11 ff 。 而一般透镜的焦距定义为主点到焦点的距离， 只要透镜两边介质的 折射率相等，就有 11 ff 。因此(2.1.1a)与（2.1.1b）无法表示为统一的形式。 为了确保测量结果是后顶焦度而不是前顶焦度，必须正确放置被测镜片的方向。 从测量方法的角度上看，测量眼镜镜片的顶焦度和测量透镜的焦距是基本一样的。 2.1.2 棱镜度 prismatic power 光线通过镜片上某一特定点后所产生的偏差。棱镜度的表示单位为厘米每米 （cm/m） ，单位名称为“棱镜屈光度” ，符号为“” 。 顶焦度用大写英文字母 p 表示。 100 o p l （2.1.2） 图 2.1.1b 眼镜镜片的顶焦度 fig 2.1.1b vertex power of eyeglass lens 图 2.1.2 眼镜镜片的棱镜度 fig 2.1.2 prismatic power of eyeglass lens l o - f f h 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 7 2.1.3 球镜度 spherical power 球面镜片的后顶焦度称为球镜度。 球面镜片是使近轴平行光线会聚于一个焦点上的镜片。 球镜度用大写英文字母 f 表示。计算公式即(2.1.1)式。 2.1.4 柱镜度 astigmatic power 柱镜片中两个主顶焦度的差值。 柱镜片是使近轴平行光线会聚于两条相互分离并互相正交的焦线上的镜片。 与球面镜片不同，柱镜片含有两条主子午线和两个对应的主顶焦度。其中一个主 顶焦度可以为零，相应焦线位于无穷远。复曲面镜片、球面和柱面联合的镜片与 柱面镜片都是柱镜片。 柱镜片又称散光镜片。 柱镜片的柱镜度用 fc表示。 21 11 c f ff （2.1.4） 2.1.5 轴位角 axis angle 轴位角是柱镜片中顶焦度更小的主子午线的方向角。根据 tabo 标记法（德 国光学学会建议使用，也是我国采用的标准标记法） ，轴位角如图 2.1.5 所示。 轴位角用表示，单位为“” ，现实中为了避免与“0”混淆经常省略。 图 2.1.4 眼镜镜片的柱镜度 fig 2.1.4 astigmatic power of eyeglass lens f1 f1f2 主子午线 1 主子午线 2 c f2 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 8 柱镜度与轴位角是柱镜片的两个重要的光学参数。柱镜片用球面联合负柱面 的形式来表达，记为/ sc ff。例如+5.00ds/- 2.00dc70 表示远视 5.00d，并带 有- 2.00d 的散光，散光轴位是 70。 2.1.6 阅读附加 reading addition 前面的眼镜片均为“单焦”镜片，即在镜片的有效孔径内呈同一屈光力。但 时常一个人由于年龄增长而眼调节力减弱时，就需要对视远和视近分别作视力矫 正，这时往往需配两副眼镜分别戴用，很不方便。因此产生了将两种不同屈光力 做在同一镜片上，成为具有两个区域的镜片。这种镜片就称作双光镜或双焦点眼 镜（图 2.1.6） 。镜片上作视远矫正的部分称为视远区，作视近矫正部分称为阅读区 （或视近区） 。其中视场较大者又称为主要区，通常主要区为视远区。视远区的顶 焦度称为远用度数；视近区的顶焦度称为近用度数；附加的正球镜的屈光度称为 阅读附加，也就是视远区和视近区的屈光度差值。 双光镜片的阅读附加用 fadd表示。 11 add farnear f ff （2.1.6） 2.2 各种焦距测量方法 眼镜镜片的各种光学参数中，球镜度是最重要的。从使用眼镜的患者的角度 图 2.1.5 柱镜片轴位角 fig 2.1.5axis angle of astigmatic lens 视远区 视近区 图 2.1.6 眼镜镜片的柱镜度 fig 2.1.6 astigmatic power of eyeglass lens 180 r 0 90 45135 180 l 0 90 45135 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 9 看，大部份都不存在散光和斜视，柱镜片和眼用棱镜使用较少。从计算的方法看， 柱镜片的柱镜度、双光镜的阅读附加都是根据球镜度计算出来的。因此，在设计 数字投影焦度计的过程中，着重考虑对球镜度的测量。 球镜度的测量，实际上也是眼镜镜片焦距的测量。一般采用几何光学的方法 测量镜片的焦距。下面比较几种焦距测量方法的特点，以便从中选出适合改造为 电子测量仪器的一种。 2.2.1 光学仪器的观察系统和照明系统 一般来说，光学仪器的光学系统，都会包括两个组成部分：观察接收系统和照 明系统。为了在后续论文中重点描述各种测量焦距方法的原理，此处单独对观察 系统和照明系统进行介绍，后文就不再重复介绍这两个部份67。 观察系统有三个基本形式：1、望远系统；2、显微系统；3、摄影、投影系统。 1、望远系统望远系统是帮助人眼对远处图像进行观察的光学系统。 观察者以对望远镜的像空间的观察代替对本来的物空间的观察。由于望远镜 的像空间的像对人眼睑孔的张角比其在物空间的共轭角大，所以通过望远镜观察 时，远处的物体似乎被移近，原来看不清楚的物体能被看清楚了。 2、显微系统为了观察清楚微小的物体或物体的细节，需要采用显微系统或 图 2.2.1a 望远系统光路图 fig 2.2.1a light path of telescopic system 图 2.2.1b 显微系统光路图 fig 2.2.1b light path of microscopic system 物镜 目镜 眼睛 物 物镜 目镜 眼睛 像 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 10 投影系统。显微系统由物镜和目镜两组镜头组成；物经物镜后，在目镜焦面处成 一放大了的实像；眼睛通过目镜观察这个实像，又进一步放大。 3、摄影、投影系统这类系统可以把物方物体直接成像在显示屏上，眼睛直 观察显示屏，不需要通过目镜进行观察，比较直观。 照明系统分三种：1、直接照明；2、临界照明；3、柯拉照明 1、直接照明直接照明的光源没有经过任何光学系统直接照在被照物面。 它的特点是结构简单、原理直观，但是亮度不高。 2、临界照明临界照明指的是灯丝经聚光镜成像在被照明的物面。优点：光 能利用率高。缺点：照明不均匀。 图 2.2.1c 投影系统光路图 fig 2.2.1c light path of projection system 图 2.2.1d 直接照明 fig 2.2.1d direct illumination 图 2.2.1e 临界照明 fig 2.2.1e critical illumination 光源 受光面 光源 受光面 物 物镜 屏幕 眼睛像 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 11 3、柯拉照明柯拉照明的特征是：光源成像在物镜入瞳处。优点：照明均匀。 缺点：光路较复杂。 2.2.2 利用 x fx g测量 8 一种较广泛用于测量透镜焦距的方法是，利用两次测量不同象距上的被测镜 片的横向放大率求焦距。 图 2.2.1f 柯拉照明 fig 2.2.1f koeller illumination dabc da bc a d b c f f 图 2.2.2 测量焦距的一种方法 fig 2.2.2amethod to measure focus 光源 受光面 移动 移动 y1 y2 e y1 (y2 ) f 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 12 如图 2.2.2 所示，标尺上有 4 个点 a、b、c、d，a 和 d，b 和 c 分别关于标 尺中心对称，标尺本身关于观察装置的光轴对称。标尺可以上下移动，移动距离 可以准确由传感器测出。 将被测镜片放在可以横向移动的支承座上，移动距离也可以准确由传感器测 出。 以正透镜为例来介绍这种测量方法： 首先，调节被测镜片的位置，使得光线平行于光轴射出。标尺也位于实线所 画的位置。观察装置上有对准用的叉线，移动被测镜片使观察装置的叉线对准标 尺上 a 的像 a ，此时镜片位于图 2.2.2 中实线所画的镜片位置。 接着移动支承座使观察装置的叉线对准标尺上点 d 的像斑 d ，传感器测出支 承座的移动量 y1。此时被测镜片位于虚线所画位置。 然后将标尺移动到虚线所画位置（移动距离为 e） ，此时应该观察装置的叉线 对准标尺上点 c 的象 c 。 最后重新移动支承座位置，观察装置的叉线对准标尺上点 b 的象 b 。支承座 位移量 y2。 不难看出，两次测量得到测镜的横向放大率分别为 1 1 11 y yy ， 2 2 22 y yy （2.2.2a） 又 1 122 fxx，（2.2.2b） 21 exx（2.2.2c） 可以解出 12 12 e f yy yy （2.2.2d） 这个方法的优点在于：焦距的测量精度不受像调焦精度的影响。 缺点在于：需要做多次调节，比较麻烦。 2.2.3 利用 tan y f 测量 给定成像角度，测量像的大小确定焦距。 见图 2.2.3，在平行光管的分划板上有数对对称位于测镜光轴两侧的刻线，各 对刻线间距 y 和物镜焦距 f0都已准确给出。将被测镜片放在平行光管前，使两透 镜的光心尽可能紧密，这样其成像角度是给定的，并有 0 1 tan 22 y f 。被测镜片 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 13 的焦距不同，在相同的成像角度下，像的大小也就不同。在观察装置的帮助下测 量其中某一对刻线的像的间距 y ，即可求得被测镜片的焦距。 因为 0 11 tan 222 yy ff （2.2.3a） 则得： 0 y ff y （2.2.3b） 设观察系统的横向放大率为，如果测得的数值 d 比在目镜分划板的像的真 实大小大 k 倍则 d y k 。那么 0 d ff yk （2.2.3c） 式中 0 f yk 是仪器常数，以 c0表示，于是 0 fc d（2.2.3d） 适当选择各常数值(f0 、y、与 k)，可使 co = 8 或其他整数，这样后续计算 就较方便。 这种方法的优点需要的设备简单，测量手续简便，只需利用传感器测出一个 长度值，即可计算出结果。 缺点是被测镜片与平行光管物镜的光心不能完全重合，存在随焦度值增大而 增大的系统误差。 2.2.4 利用望远镜原理测量 图 2.2.3 测量焦距的一种方法 fig 2.2.3amethod to measure focus 平行光 管物镜 被测镜片 - f0f1 yy 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 14 使已知焦距的正透镜与被测透镜组成望远系统，测量望远镜的放大率求焦距。 见图 2.2.4，在未放入辅助物镜与被测镜片之前，标尺位于物镜 1 的物方焦平 面，物镜 2 的像方焦平面上可见标尺的清晰像。此时测量出标尺上某一对标尺刻 线的像的距离 y 。保持标尺、物镜 1、物镜 2 的位置不变。 将辅助正透镜和被测镜片放在物镜 1 和 2 中间，轴向移动被测镜片，使从观 察装置中看清分划板的像，则辅助正透镜和被测镜片组成了望远系统。 此时在观察装置帮助下测出分划板像上的一对刻线的间距 y 。则被测镜片的 焦距为 2 1 fy f y （2.2.4） 式中 f2 为正透镜的焦距。 这种方法的优点是需要测量的量只有一个，便于计算。 缺点是如果测量的镜片焦度很小，焦距很大，则需要很长的光路，尤其是被 测镜片是正透镜时，需要 f1 + f2 的长度以组成望远系统。因此测量的量程受到限 制。 2.2.5 改进的望远镜原理测量法 对 2.2.4 的方法分析后发现，为了使放入被测镜片后，标尺仍然能够成像在物 镜 2 的焦平面上，可以不增加辅助物镜和移动被测镜片，而是通过轴向移动标尺， 使被测镜片的出射光线平行，从而达到目的。 当被测镜片未放入测量光路中时，标尺位于物镜 1 的物方焦平面上，物镜 2 的像方焦平面上可获得清晰的标尺像。放入被测镜片后，光线发生折射，使标记 分划板的像变得模糊，需要轴向移动标尺，使被测镜片的出射光线平行，则物镜 2 图 2.2.4 测量焦距的一种方法 fig 2.2.4amethod to measure focus 物镜 1 f2 f1 物镜 2辅助物镜被测镜片 标尺 标 尺 像 平面 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 15 的像方焦平面上重新获得清晰的标尺像。假设标尺沿光轴的移动量为-x， 根据 2 12 ()x zff（2.2.5a） 计算出 2 2 1 f fz x （2.2.5b） 如果利用平行光入射物镜 1，找到象方焦点 f1 ，改变被测镜片的位置使得其 后顶点与 f1 重合，即 z=0，则 2 2 1 f f x （2.2.5c） 改进后，仍只需测量一个物理量就可以算出被测镜片的焦距，同时光路长度 的限制也没有了，对于测量正透镜而言，只是移动标尺的方向改变而已。 但是这种方法也存在系统误差。 因为具体的测量中只有少量镜片能够满足 z=0 的条件。 2.2.6 利用位置探测器辅助测量 上面提出的四种方法，都是基于光学成像的原理进行测量。下面提出一种利 用位置探测器进行辅助测量的方法9。 图 2.2.5 测量焦距的一种方法 fig 2.2.5amethod to measure focus 图 2.2.6a 测量焦距的一种方法 fig 2.2.6aamethod to measure focus 入射光线 被测镜片 二维位置探测器 a(a ) b c b c 物镜 1 f1- x 物镜 2被测镜片 f1 f1 z- f2f2 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 16 如图 2.2.6a 所示，实现该测量方法需要一个二维位置探测器和 3 条入射光线。 只要满足一定的精度要求， psd 或者 ccd 都可以作为所需的二维位置探测器 件。 需要两条光线来测量球镜的焦距，其中一条从被测镜片的光心穿过，光线不 发生偏折，另一条从离光心距离 h 的位置穿过。从图中的几何关系可以算出 dh f hp （2.2.6） 式中p反应了光线的偏折情况。 如果该镜片存在散光，则测量柱镜度和轴位角需要 3 条光线。 这种方法的好处就是所需器件很少，缺点是对二维位置探测器的分辨率要求 很大。当要求所测的球镜度分辨率为 0.01d 时，如果 d=100mm，h=10mm，则二 维位置探测器分辨率必需超过 1 m。 2.2.7 结论 分析比较前文提出的各种方法后，可以看到，2.2.3 和 2.2.5 的测量方法都只需 测量一个物理量，是比较理想的方法，缺点是这两种方法都存在系统误差。作为 电子设备，如果进行了多点校正，就可以有效减少系统误差。进一步比较两者还 能看到，2.2.3 需要测量的是像的长度，因此光路要设计成物方远心光路才能消除 测量误差。但是对于不同的被测镜片，焦距变化，也就没有固定的位置设置光阑， 无法构成物方远心光路。2.2.5 需要测量的是标尺的移动距离，相比前者更容易实 现，误差也更小。 2.2.6 提出的方法受制于二维位置探测器的性能，不予采用。 2.3 仪器结构及工作原理 图 2.2.6b 测量焦距示意图 fig 2.2.6b measuring the focus h f p d 二维位置 探测器 被测镜片 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 17 利用 2.2.5 提出的方法，实现对眼镜度数的电子测量，设计出数字投影式焦 度计10。 数字投影式焦度计主要由光学系统、机械结构系统及电路控制软件系统几部 分组成，结构原理如图 2.3 所示11。 图中，1光源，2聚光镜，3滤色镜，4照明反射镜，5标记分划板及 齿轮传动机构。6成像物镜，7镜片支座，8被测镜片，9投影物镜，10、 11投影反射镜，12投影屏。 仪器的光学系统主要由 3 部分组成，即照明系统、准直系统和投影系统。 1、照明系统。为了最终能够使标记分划板在投影屏上成清晰的像，要求标记 分划板能得到高质量的照明。 投影系统的放大率很大，如果分划板的亮度不够，投影屏上的像就会很暗。 这对于在比较明亮的地方使用仪器很不方便。为了消除最终在投影屏上的成像色 差，在照明光路放入绿色的滤色片，光源的能量利用率比较低。这就要求光源的 电子控制 系统 234 5 6 8 10 12 11 9 1 7 标尺传动 机构 传感器 图 2.3a 仪器结构示意图 fig 2.3athe structure of the instrument 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 18 亮度必须足够大。使用色温大于 4000k 的卤素灯作为光源。卤素灯的亮度大，发 光效率高，同时色温高也使得绿光的成份更多12。 利用两组聚光镜构成柯拉照明光路。加入视场光阑以消除杂散光干扰。 2、准直系统。标记分划板发出的光经准直物镜投射到被测镜片，旋转调焦手 轮以移动标记分划板，使光束离开被测镜片时为平行光。 3、 投影系统。由被测镜片射出的平行光，通过投影物镜，经反射镜反射成 放大像于投影屏上。投影屏上的像如图 2.3b 所示。 投影屏是一块毛玻璃，上面刻有标度盘。1 是测量散光镜片时的轴位角读值， 该数值同时显示在 lcd 屏幕上。4 是眼用棱镜的棱镜度读值，因设计缺陷，该数值 不能实现电子测量。2、3 是十字分划板的像，2 是十字标记，3 是环形点标记。 确保在为放入被测镜片的时候十字标记位于投影屏的正中间，以保证准直物 镜和投影物镜的中心位于光学系统的主光轴上。 标记分划板通过两个调节手轮及精密传动机构可进行线性上下移动和旋转， 与之联动的位移传感器和角度传感器送出相应电压信号，经单片机控制及处理系 统采样、计算和处理，将测量结果送 lcd 显示器显示，或根据操作要求由微型打 印机打印出来。 2.4 测量操作设计 2.4.1 用户操作仪器所用的各部分器件名称 为了方便用户实现对眼镜度数的测量，设计数字投影式焦度计具有以下主要 图 2.3b 投影屏上的像 fig 2.3bthe figure on the projection screen 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 19 几个部件。 1、lcd 显示屏：包括球镜度、柱镜度、轴位角、双光镜阅读附加等测量结果 将在该显示屏上显示出来。除此还显示当前的测量状态。 2、镜片固定机构：镜片放在测帽上后，利用此机构来固定镜片。 3、测帽：放置被测镜片。 4、轴位角测量手轮：测量球柱镜片的轴位角时，转动此手轮来调节投影屏上 的十字标记的方向。 5、投影屏：本身刻有刻度盘，仪器工作时十字标记被投影到该屏幕上，用以 辅助调焦。 6、键盘：共有八个控制按键，用以实现不同功能。 “s/c”屈光度/散光度测量切换键 “+/- ”符号切换键 “l”左边镜片测量 “r”右边镜片测量 “add”双光镜阅读附加 “prt”打印输出 “adj”调整键 “rst”复位键 7、调焦手轮：转动手轮能在目镜视场中找到清晰的十字分划板的像。这时手 轮上的读数，即为顶焦度数。 2.4.2 球面镜片的测量 普通的近视镜片和远视镜片都是球面镜片。 按“s/c”键确保当前处于测量球面镜的状态。将测量镜片放在测帽上，用镜 片固定机构夹住，转动调焦手轮，使得在投影屏上看到的十字标记清晰时，这时 lcd 屏上显示的 sph 值就是被测镜片的球镜度。必须注意，如果十字线不在刻度 盘中央，则要前后左右移动镜片，使十字线调节到中心。 2.4.3 柱面镜片的测量 带有散光的镜片属于柱面镜片。测量柱面镜片要测量 3 个参数：球镜度、柱 镜度和轴位角。 按“s/c”键确保当前处于测量球镜度（注意是球镜度而不是柱镜度）的状态。 当有散光度数的镜片装夹固定后，十字线出现不清楚。这时，转动调焦手轮，调 节至环形标记的小点拉成倾斜的立体圆筒形，即把点拉成线。 转动轴位角调节手轮，使得十字线中的长线平行于立体圆筒的方向，这时十 字线有一条是清晰的，一条是模糊的。分别调节两手轮，使得清晰的一条达到最 9 0 1234 重庆大学硕士学位论文2 仪器结构及工作原理 20 清晰状态。此时得到被测镜片的球镜度值和轴位角值。 保持轴位角调节手轮不动，按“s/c”键使当前处于测量柱镜度状态。转动调 焦手轮，使得十字线长线由清晰变模糊，短线由模糊变清晰。这时被测镜片的柱 镜度值被显示出来。 2.4.4 双光镜片的测量 有部分老年人配戴的远近两用镜片属于双光镜片。双光镜片可看成是在普通 镜片上附加一个正球镜片组合而成，从而在一个镜片上形成远用和近用两个部分。 远用部分的顶焦度称为远用度数；近用部分的顶焦度称为近用度数；附加的正球 镜的屈光度称为阅读附加，也就是远用部分和近用部分的屈光度差值。 测量双光镜片只需先测出远用部分的屈光度值，按下“add”键，再测量近 用部分即可。 2.4.5 棱镜度的测量 具有棱镜度的镜片，其棱镜效应使光线产生方向偏移，日常中较典型的是带 棱镜度的平光镜片或单散镜片，无论怎样移动镜片，总不能使用标记十字中心位 于视场中心。 视场中标记十字中心与视场中心的偏离量就是棱角镜度。用棱镜补偿器可使 标记像向视场中心移动，直到标记中心出现在视场的读数范围内，移动镜片使十 字标记中心落在视场的水平线上或带有棱镜刻度的任一直线上，在视场中读出棱 镜度值（附加上补偿器上的数值）即可。 2.5 本章小结 首先明确了数字投影式焦度计的测量对象：普通球面镜的球镜度；散光镜片 的球镜度、柱镜度、轴位角；双光镜的远用度数与阅读附加；眼用棱镜的棱镜度、 棱镜轴向，给出它们的定义和计算方法。由于球镜度的测量是最关键的部份，重 点研究球镜度的测量方法，也就是透镜焦距的测量方法。比较了五种不同的测量 焦距的方法，从中得到适合实现电子测量的一种：利用望眼镜原理测焦距的改进 方法。根据该方法设计了仪器的基本结构。简要介绍了光学系统并分析了仪器的 工作原理。最后设计了如何利用数字投影式焦度计来实现上述各种光学参数的测 量的操作方法。 重庆大学硕士学位论文电子控制系统 21 3电子控制系统 本章摘要 本章全面阐述了数字投影式焦度计的电子测量控制系统。首先根据电子系统所要实现的 功能给出整体的设计方案，包括采用的硬件和软件的整体框架。接着介绍了主控单片机的特 点，详细说明了如何利用 i2c 总线来控制多个从器件。然后根据信号的大致流程：信号采集 基准存取与参数计算 lcd 屏幕显示 微型打印机输出描述了各个功能模块的实现。最后简 要介绍了键盘电路和供电电路的设计。 3.1 方案设计 根据论文第二部分提出的原理，十字标尺的平动和转动是测量被测镜片光学 参数的依据。电子控制系统的任务就是把这两个变量转化为最终结果，在 lcd 屏 上显示出来，并根据需要利用微型打印机输出打印结果。 为了实现这一目标，电子控制系统首先要利用传感器和 ad 器件对标尺的平动 量和转动量进行采集，然后对这两个量进行运算，计算出被测镜片的光学参数， 最后将测量结果送交 lcd 显示屏或微型打印机输出13 。 采用具有 i2c 总线接口和 uart 串口的单片机作为中心处理器。串口的利用 节约了单片机有限的 i/o 口资源，尤其是 i2c 总线可以同时挂接多个 i2c 器件，在 本设计得到大量使用。为了消除眼镜度数测量的系统误差，采用了多基准校正的 方法。因此扩展了一个非易失的 eeprom 用以存储基准。 用户通过转动调焦手轮和轴位角手轮来调节投影屏幕上像的清晰度，手轮带 动电位计产生电压信号。这个电压信号是变化极其缓慢的低频信号，对 ad 转换 器的转换速度基本没有要求，但 ad 器件必须满足一定的精度才能实现待测光学 参数的分辨率要求。 二通道ad 转换器件 转动传感器 平动传感器 扬声器控制 电路 微型打印机lcd显示屏电源电路 键盘 光源控制电 路 单片机 系统 图 3.1a 硬件系统 fig 3.1 a hardware system 重庆大学硕士学位论文电子控制系统 22 键盘有 8 个按键，由于采用了大量串口器件，单片机有足够的 i/o 口直接连接 每个按键，不需要键盘扫描电路。 单片机控制扬声器发出不同的提示声音，包括按键产生“滴”的声音和错误 提示声。 当仪器的按键和调节手轮 3 分钟不动时，关掉照明光源和显示屏，让机器进 入休眠状态。一旦调节手轮旋转或有键按动，光源又点亮，这样有利于延长光源 寿命，减少仪器内部的发热量。 电源电路将 220v 的交流电转化为 5v 和 12v 的直流电， 实现对整个电子控制 电路的供电。 据此设计出的硬件系统如图 3.1a 所示。 根据图 3.1a 的系统功能进行软件的模块化设计。 整个软件结构如图 3.1b 所示， 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。初始化包括仪器的显示自检、设 置 i/o 口控制寄存器状态和堆栈指针、初始化数据缓冲区和必要的寄存器等。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 松动等原因产生系统误差，此时可以重新存储新的基准。 功能模块程序主程序 初始化 采集信号 扫描键盘 调用相关模块 信