非球面测量系统与数据处理技术研究

　　在光学应用领域，由于球面透镜在光学性能上的缺陷，单独成像时往往存在着各种无法克服的光学像差，为了消除像差，需要增加透镜的片数，同时还要通过加上多层镀膜等技术来实现高性能的光学系统[1 -2]。在光学设计中，如果采用非球面光学器件，不仅可以消除球差、像差、场曲，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性，而且减少了光学元件的数量，简化了系统的结构[3 -5]。

　　近年来，非球面透镜在光学系统设计中的应用日益普及。而非球面的加工质量直接影响到光学系统的成像质量。非球面检测技术一直是影响非球面加工精度进一步提高的“瓶颈”。从某种意义上讲，没有与加工精度相适应的高精度检测方法及仪器，非球面的精密加工和超精密加工就难于实现。针对非球面零件的测量方法多种多样，各种方法所应用的原理、设备、所能达到的精度各不相同。笔者提出一种基于上下位机结构的非球面测量系统[6 -9]。

　　1 测量系统规划

　　测量系统由数据采集系统、运动控制系统和数据处理模块组成。图 1 为非球面测量系统结构示意图，系统以工控机为上位机，以运动控制器和数据采集卡为下位机构成多 CPU 的数据采集与处理系统。上下位机结构的特点是把系统任务按实时性和非实时性分配给上下位机来完成。上位机即为工业控制计算机实现非实时的多功能任务，主要任务有传感器运动规划、运动参数设定、数据采样参数设定、数据处理等。下位机运动控制器和数据采集模块，它们是一组并行的结构，各自完成不同的系统任务，可以通过 PCI 接口与上位机通信。

　　测量系统以高精度激光位移传感器作为数据采集元件，传感器在运动控制系统的控制下沿检测工件表面以一定轨迹运动。数据采集模块在脉冲计数器的控制下定时对传感器信号进行数据采样。采样数据经A / D 转换后通过 PCI 接口送入 IPC 进行后续处理。由于测量过程中，运动系统的振动、冲击、速度波动等，都会影响测量系统的精度，因此，测量系统不仅要有高精度的数据采集模块，而且要有高精度的运动控制子系统。基于这些因素的考虑，设计包括运动控制模块和数据采集模块。

　　2 数据采集设计

　　2. 1 定步长数据采集

　　非球面测量系统利用定时/计数器 8254 实现对非球面表面的定步长采样。采样时，传感器在运动系统的控制下沿工件表面匀速运动。由于采样步长一定，因此采样触发信号必须由运动控制系统提供。定时计数器 8254 对运动控制系统提供给伺服电机的脉冲信号进行计数，计数条件满足时，8254 发出计数触发信号触发数据采集卡进行数据采样。测量系统中，设定 8254 工作于方式 2，这种工作方式下，OUT 输出为高电平，当装入计数值后，如果GATE 为高电平，则开始计数，计数过程 OUT 保持高电平不变，直到计数值减到1 和0 之间时，OUT 输出一个宽度为一个 CLK 周期的负脉冲，这个负脉冲可作为采样触发信号。当计数值为 0 时，8254 自动装入计数初值 n，实现循环计数。以 n = 4 为例，8254 计数器工作于方式 2 时的时序波形如图 2 所示。