基于CCD16点数学模型的全自动焦度计光学图像系统的设计

科技部科技成果重点 推广项 目（ ０ Ｅ ００ ４ ２ ３ Ｃ ０ ８） ０
太 原市 科 技 创 业 种子 基 金 （８ １４ ０ ２ １ １
和形状会发生变化 。通过Ｃ Ｄ Ｃ 接收和微机对图像位
置形状 的处理 ，可 得到被 测镜 片 的相 关参数 。
园圈弱圆
技术交流
准直透镜 待测镜片 分光光 阑 成像透镜 ＣＤ Ｃ 成像 面
收稿 日期 ： ０ １ ０ — ８ ２ １－ ５ １
图 １ 自动焦 度计 的光 路 原理 图 。点 光源 发 出 为
的光 ，经 准 直 镜 准 直 ，照射 到 被 测 眼镜 片上 发 生
偏 折 ，再 经 过分 光 光 阑和 测量 透 镜投 射 到Ｃ Ｄ ， Ｃ 上
在 Ｃ Ｄ上得到 含有数 学模 型 的图像 。 由于被 测镜 片 Ｃ 的屈光 状态 不一样 。在 Ｃ Ｄ Ｃ 上所 成像 的大小 、位 置
ｘ － ｌｓ ＯｏＯ ｌＤ） ｌ ｙ＝ ｉ ｅ ｓ — ２ ＝ ｎ
由方程 （）％ （ｌ ， ＋ Ｘ２２ ２ Ｉ一ｌｙ）＋ ／ － ）２２ ２ ｙ２ ％ － Ｘ Ｔ ＋
．
一
Ｄ 一ｌ ，－ ｙ ２ Ｘ＋ｙ Ｅ （＋ ） Ｖ（－， ＋ ｚ２２ ＝Ｘ ｙ Ｘ ） ２２ ２ ｌ 匦
调焦原 理 的焦度计 多采 用高分 辨率 、双线 阵Ｃ Ｄ Ｃ 获 取光 路 信 号 ，通 过数 字 信 号 处 理 系统 进行 信 号 采 集 、分析 和 计算 ，并 驱 动步进 电机进 行 自动 对焦 ， 从 而得 到 镜 片 的 相关 参 数 。基 于 投影 原 理 的 自动
１ 全 自动焦 度计 光 学 算 法 推 导
在ｙ 轴方 向上 的距 离 为 。假 设Ｄ 、Ｄ 分 别 为 柱 面
样 板上 设 置一 存储 器 ，将 转 换完 的数据 暂 存一 下 ，
以供 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ系 统 读 取 。 当 光 路 中 无 测 量 镜 片 时 ，
Ｆ Ｇ 读 取 Ｃ Ｄ的采集 数 据 ，计算 出光 斑 的中 心位 ＰＡ Ｃ 置 ，并 将 计 算 结 果 作 为 系 统 的初 始 参 数 。 当光 路 中插入 被测 镜片 时 ．分划 板在Ｃ Ｄ 的成 像位 置将 Ｃ上
《 《技术交流 《
ｄ ｉ Ｏ ９ ９ ．ｓ ． ６ － ７ ５２ １ ．９ ｌ ｏ： ． ６／ ｉ ｎ１ ３ ４ ９ ． １ ． ｌ ３ ｊｓ ５ ０ ０ Ｏ１
基于Ｃ Ｄ ６ Ｃ １ 点数学模型 的全 自动焦度计 光学 图像系统 的设计
崔 亮飞
（ 中北 大学光 电厂 ，山西 太原 ０ ０５ ） ３ ０ １
广
０＋０ ＋ ３ ０ １ ２ ０＋ ４
＝ —
一
将 １ 个光 斑 按 图３ 线 所 示分 成 四组 。 分别 求 出 ６ 虚 方 向或 者ｙ 向上 两个 像点 之 间的距 离 ，即可 得 到 方 被 测球 镜 的顶 焦度Ｊ 。设 四组光 斑 求 出 的顶焦 度 ｓ 值
＿ 广
（０ １）
２ 全 自动 焦 度计 的 图像 处 理 系 统
片是否正确安装在镜架 中的精密光学计量仪 器 。 焦度 仪 又 称 屈 光度 计 、镜 片 测 度 仪 ，广 泛 应 用 于
医 院眼科 、眼镜店 和镜 片厂 家 。 目前 ， 国 内生产 的 自动 焦 度 计 主 要 基 于 两 种
测量 原 理 ： 自动 调 焦原 理 和 投 影 原理 。基 于 自动
Ｏ＝１ ｓ ｎ Ｘ １ ｉ～ ２
乏 ｊ 棼遵 ｊ Ｉ
图 １ 自 动 焦 厦 计 光 路 原 理
ｃ＝ Ｄ＝ ／ Ｄ一 ：、
（） ８
其 余 三 组 光 斑 的计 算 方 法 同 上 ，在 这 里 不 再 累 述 。不 防设 四组 光 斑 计 算 出 的柱 面 镜 顶 焦 度值 为 Ｃ 、 、Ｃ 和 Ｃ ，轴 角为 ０、０、０和０，则 柱 面 。 ２ ３ ４ 镜 的顶焦 度Ｃ 和轴 角 为 值
计 ；该 测 量 系统 的 技 术 指 标 已达 到 国 家相 关 检 验 标 准 。
关键 字 ： 自动 焦度计 ；１ 点数 学模 型 ；Ｆ Ｇ ６ Ｐ Ａ；面阵Ｃ Ｄ Ｃ
焦 度仪 主要用 于测 量 眼镜镜 片 （ 括 角膜接 触 包
镜 片和 多焦 点镜 片１的顶 焦 度 、柱镜 度 、棱镜 度 、
Ｃ Ｄ、Ａ Ｄ、Ａ 单 片机 和Ｆ Ｆ 存 储 器组 成 ，主要 Ｃ ／ ＶＲ ＩＯ
Ｊ
●
ｒ‘
， ｒ
。
－＇ ・ ● －－ 一・ ％
负 责采 集 数 据 并 将 数 据存 储 到Ｆ Ｆ ＩＯ存 储 器 ；数 据
处理 系 统 由Ｆ Ｇ Ｐ Ａ、Ｌ Ｄ、ＦＦ 存 储 器 、键盘 、和 Ｃ ＩＯ Ｌ Ｄ光源组 成 ．主要 负责 对采 集 的数据 进 行分 析和 Ｅ 计 算 ．并将 计算 结果 输 出显示 或打 印 。 Ｃ Ｄ 面阵 敏感 元件 ，在积分 的时 间 内，Ｃ Ｄ Ｃ 是 Ｃ 敏 感 元 件 上 积 累 电荷 ，当 积 分完 毕 ，将 电荷 数 据
发 生 变 化 ， 位 置 的 变 化 量 与 被 测 镜 片 的 球 镜 度 和
镜 的两个 主顶 焦度 ， 为柱 面镜 的轴 角 。有 以下方
程 成 立
柱 镜度 有 相互 对 应 的 比例 关 系 。Ｆ Ｇ Ｐ Ａ接 收像 的位 （ ２ ）
ＤｌＤ ２ｙ ＋ ２ ＋２
Ｄ １ Ｄ２ ｘ２ ＋ ＋ｙ ２ ２ １ ＋ ＿ ＋ｘ ｙ －
置 信息 经变换 后计 算 出被测 镜片 的相 关参 数 。
３ 图像 的二 值 化 处 理
（） ４ 由 上 述 系统 可 以看 出 ，图像 处 理 的好 坏 会 直 （） ５ 接影 响 测量 的精 度 和 稳 定 性 。 由于 图像 采 集设 备
Ｃ Ｄ采 用Ｐ Ｌ ０ Ｃ Ａ Ｓ ，所 以 系统 要 求 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ处 理 一 帧 图
１１ 全 自动 焦 度 计 的 工 作 原 理 ．
焦度计 采用 高分 辨率 面 阵Ｃ Ｄ获取 图像 。通过Ｆ — Ｃ Ｐ
Ｇ 对 图像 位 置形 状 进行 处 理 ，得 到 被 测镜 片 的 相 Ａ 关 参 数 。与 基 于 自动 调 焦 原 理 的 焦度 计 相 比 ，投 影 式 自动 焦 度计 具 有 测 量 速 度 快 、加 工成 本 低 等
图 ３ 柱 镜 片 成 像 图
依 次 移 出。 由于 电 荷数 据是 微 弱 的模 拟 量 ，须 经 信 号 放 大 ，再 经 Ａ Ｄ转 换 得 到 本 系 统 所 需 的数 字 ／
量 。为 了减 小 对Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的Ｃ Ｕ的 占用 率 ，在Ｃ Ｄ采 Ｐ Ｃ
当被 测镜 片为柱 面镜 时 。Ｃ Ｄ 的光 斑分 布 图 Ｃ上
像 的时 间不 超 过 ２ ｍｓ 图像 二 值 化 算 法 的选 择 标 ０ 。 准 为 简 单 有 效 ，易 于 实 现 。 故本 系 统采 用 最 大 类
《
间方 差 阈 值 分 割算 法 。最 大 类 间 方差 法 的基 本 思
技术交流
由：ｘ ｉ Ｐ Ａ内存 图像 的质 心 坐标 ，通 过 Ｊ ｉ 是Ｆ Ｇ ： ￣ｙ Ｘ
摘 要 ：全 自动 焦度仪 光 学 系统是 产 品设计 的核 心 ，为 了提 高 自动 焦度 计 的测 量精 度 。提 出
一 种新 的测 量 图像 。该 图像 在 建立 了１ 点数 学模 型 并推 导 了镜 片相 关参 数 的计 算方 法 。该算 ６ 法将 １ 个点 分为 四组进 行 计算 ，并取 各 组计 算 结果 的平 均值 作 为最 终测 量 结果 。根 据 １ 点数 ６ ６ 学模 型 的算 法要 求 ，设计 了￣Ｆ Ｇ 和 面 阵Ｃ Ｄ为核心 的测 量 系统７ １ 点 图像 二值化 处理 的 算 ＸＰＡ Ｃ ２６ ． 法。 实验数 据表 明．该 系统在测 量精度及 稳 定性上 都优 于原有 的基 于４ 测量 图像 的 自动 焦度 点
一
想 是 把 图像 中 的像 素 按 灰 度 值 用 阈值 ｔ 成 两 类Ａ 分
和 。Ａ由灰 度值 在０ ｔ 间的像 素 组 成 ，Ｂ由灰 度 一之 值 在抖１ — Ｌ 图像 灰 度 级 数１之 间 的像 素 组 一Ｌ ｌ（ 为 成 。按 下式计算Ａ和 之 间的类 间方差 ８（ Ｗ （ ［Ａｔ Ｍ ） ＋ ０ 【ｎ ） Ｍ ］ ２ ０＝ Ａ ） （ 一 ０】 ｅ ） 一 （ ｔｕ ） ）
如 ３ 示 。 由于柱 面镜 含 有 两 个 主 顶 焦 度 ，因此 ， 所
１个 光 斑 成不 对 称分 布 。现 以其 中一组 光 斑 ｆ个 ６ ４ 测量点 ）为例 推导 柱 面镜 主顶焦 度 的计算 方 法 。设 点 与Ｃ 在 轴方 向上 的距 离 为 ，在 】 方 向上 点 ， 轴 的距离 为Ｙ ；设Ｂ 点与Ｄ 在 轴 方 向上 的距 离为 ， 点
ｉ ‘ ， ．
‘
、
、
．
一
－ ． ， ， ｉ １ Ｆ！ ． 、 、 ．
’ ．
ｌ． 、 ｉ
． 一 一
， ’
．
●●
Ｄ
一
Ｃ
Ｉ ●
一二
ｆ ． ． ｌ
１
． 、 ．
、
▲ ．一 ．
一
。≯
一 一 ． ● ．
，
Ｊ
图２ ０ Ｄ成 像 图
式 中钮 ｔ （ ）为Ａ中所 包 含 的像 素 数 ，Ｗ ｆ （ ）为曰
（ ｔ ）为Ａ中所 有 像 素 的平 均
灰 度 值 ，Ｕ 为Ｂ中所 有 像 素 的 平 均 灰 度 值 。ｕ Ｂ（ 为 全 图的平 均 灰度值 。
从０ 一 １ 次 改 变ｔ ，取使６ （ 到 依 值 ｔ 最 大 的ｔ ）为
文 中所 研 究 的 焦度 计 是 基 于 投 影原 理 的 自动
焦度 计 。但 是 ，与 国 内 同类 产 品 不 同 的是 ，本文