基于CCD的全自動焦度計光學(xué)圖像系統(tǒng)設(shè)計

　　1 全自動焦度計光學(xué)算法推導(dǎo)

　　1.1 全自動焦度計的工作原理

　　圖1為自動焦度計的光路原理圖。點光源發(fā)出的光，經(jīng)準直鏡準直，照射到被測眼鏡片上發(fā)生偏折，再經(jīng)過分光光闌和測量透鏡投射到CCD上，在CCD上得到含有數(shù)學(xué)模型的圖像。由于被測鏡片的屈光狀態(tài)不一樣，在CCD上所成像的大小、位置和形狀會發(fā)生變化，通過CCD接收和微機對圖像位置形狀的處理，可得到被測鏡片的相關(guān)參數(shù)。

　　1.2 16點數(shù)學(xué)模型

　　圖2為無測量鏡片，即OD時，CCD上的成像分布圖。當被測鏡片為負球面鏡時，十六個光斑相對于初始位置對稱地擴張;當被測鏡片為正球面鏡時，十六個光斑相對于初始位置對稱地收縮。將16個光斑按圖3虛線所示分成四組。分別求出X方向或者Y方向上兩個像點之間的距離，即可得到被測球鏡的頂焦度S值。設(shè)四組光斑求出的頂焦度值為S1、S2、S3和S4，則S值為

　　當被測鏡片為柱面鏡時，CCD上的光斑分布圖如3所示。由于柱面鏡含有兩個主頂焦度，因此，16個光斑成不對稱分布。現(xiàn)以其中一組光斑(4個測量點)為例推導(dǎo)柱面鏡主頂焦度的計算方法。設(shè)A點與C點在X軸方向上的距離為x2，在Y軸方向上的距離為y1;設(shè)B點與D點在X軸方向上的距離為x1，在Y軸方向上的距離為y2。假設(shè)D1、D2分別為柱面鏡的兩個主頂焦度，θ為柱面鏡的軸角。有以下方程成立

　　其余三組光斑的計算方法同上，在這里不再累述。不防設(shè)四組光斑計算出的柱面鏡頂焦度值為C1、C2、C3和C4，軸角為θ1、θ2、θ3和θ4，則柱面鏡的頂焦度C值和軸角為

2 全自動焦度計的圖像處理系統(tǒng)

　　根據(jù)自動焦度計的工作原理以及系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能設(shè)計出硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩大部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由CCD、A/D、AVR單片機和FIFO存儲器組成，主要負責(zé)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到FIFO存儲器;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由FPGA、LCD、FIFO存儲器、鍵盤、和LED光源組成，主要負責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行分析和計算，并將計算結(jié)果輸出顯示或打印。

　　CCD是面陣敏感元件，在積分的時間內(nèi)，CCD敏感元件上積累電荷，當積分完畢，將電荷數(shù)據(jù)依次移出。由于電荷數(shù)據(jù)是微弱的模擬量，須經(jīng)信號放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到本系統(tǒng)所需的數(shù)字量。為了減小對FPGA的CPU的占用率，在CCD采樣板上設(shè)置一存儲器，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)暫存一下，以供FPGA系統(tǒng)讀取。當光路中無測量鏡片時，F(xiàn)PGA讀取CCD的采集數(shù)據(jù)，計算出光斑的中心位置，并將計算結(jié)果作為系統(tǒng)的初始參數(shù)。當光路中插入被測鏡片時，分劃板在CCD上的成像位置將發(fā)生變化，位置的變化量與被測鏡片的球鏡度和柱鏡度有相互對應(yīng)的比例關(guān)系。FPGA接收像的位置信息經(jīng)變換后計算出被測鏡片的相關(guān)參數(shù)。

　　3 圖像的二值化處理

　　由上述系統(tǒng)可以看出，圖像處理的好壞會直接影響測量的精度和穩(wěn)定性。由于圖像采集設(shè)備CCD采用PAL制，所以系統(tǒng)要求FPGA處理一幀圖像的時間不超過20ms。圖像二值化算法的選擇標準為簡單有效，易于實現(xiàn)。故本系統(tǒng)采用最大類間方差閾值分割算法。最大類間方差法的基本思想是把圖像中的像素按灰度值用閾值t分成兩類A和B。A由灰度值在0-t之間的像素組成，B由灰度值在t+1-L-1(L為圖像灰度級數(shù))之間的像素組成，按下式計算A和B之間的類間方差

　　式中wA(t)為A中所包含的像素數(shù)，wB(t)為B中所包含的像素數(shù)。uA(t)為A中所有像素的平均灰度值，uB(t)為B中所有像素的平均灰度值。u(t)為全圖的平均灰度值。

　　從0到L-1依次改變t值，取使δ(t)為最大的t值作為最佳閡值T。

　　通常一個光斑的中心坐標應(yīng)為該光斑的圓心。但是，經(jīng)過FPGA處理后的圖像由于離散化，已不是規(guī)則排列，故采用質(zhì)心計算法求出光斑的中心。首先設(shè)光斑由n個像素組成，每個像素對應(yīng)的空間坐標為(xi，yi)，灰度值為p(xi，yi)，則該光斑的質(zhì)心坐標為

　　由于xi和yi是FPGA內(nèi)存圖像的質(zhì)心坐標，通過一定的當量換算可折算成實際圖像中光斑的中心坐標。將各點的中心坐標帶入式(7)-(10)，即可求出被測鏡片的相關(guān)參數(shù)。

　　4 結(jié)束語

　　文中提出了一種新的全自動焦度計的測量圖像，并建立了相應(yīng)的計算方法。運用該系統(tǒng)測量系列標準鏡片，技術(shù)指標已達到國家相關(guān)檢驗標準。與