基于CCD的全自動(dòng)焦度計光學(xué)圖像系統設計

　　1 全自動(dòng)焦度計光學(xué)算法推導

　　1.1 全自動(dòng)焦度計的工作原理

　　圖1為自動(dòng)焦度計的光路原理圖。點(diǎn)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(guò)分光光闌和測量透鏡投射到CCD上，在CCD上得到含有數學(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(huì )發(fā)生變化，通過(guò)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。

　　1.2 16點(diǎn)數學(xué)模型

　　圖2為無(wú)測量鏡片，即OD時(shí)，CCD上的成像分布圖。當被測鏡片為負球面鏡時(shí)，十六個(gè)光斑相對于初始位置對稱(chēng)地擴張;當被測鏡片為正球面鏡時(shí)，十六個(gè)光斑相對于初始位置對稱(chēng)地收縮。將16個(gè)光斑按圖3虛線(xiàn)所示分成四組。分別求出X方向或者Y方向上兩個(gè)像點(diǎn)之間的距離，即可得到被測球鏡的頂焦度S值。設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(shí)，CCD上的光斑分布圖如3所示。由于柱面鏡含有兩個(gè)主頂焦度，因此，16個(gè)光斑成不對稱(chēng)分布?，F以其中一組光斑(4個(gè)測量點(diǎn))為例推導柱面鏡主頂焦度的計算方法。設A點(diǎn)與C點(diǎn)在X軸方向上的距離為x2，在Y軸方向上的距離為y1;設B點(diǎn)與D點(diǎn)在X軸方向上的距離為x1，在Y軸方向上的距離為y2。假設D1、D2分別為柱面鏡的兩個(gè)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(dòng)焦度計的圖像處理系統

　　根據自動(dòng)焦度計的工作原理以及系統所要實(shí)現的功能設計出硬件系統。系統由兩大部分組成：數據采集系統和數據處理系統。數據采集系統由CCD、A/D、AVR單片機和FIFO存儲器組成，主要負責采集數據并將數據存儲到FIFO存儲器;數據處理系統由FPGA、LCD、FIFO存儲器、鍵盤(pán)、和LED光源組成，主要負責對采集的數據進(jìn)行分析和計算，并將計算結果輸出顯示或打印。

　　CCD是面陣敏感元件，在積分的時(shí)間內，CCD敏感元件上積累電荷，當積分完畢，將電荷數據依次移出。由于電荷數據是微弱的模擬量，須經(jīng)信號放大，再經(jīng)A/D轉換得到本系統所需的數字量。為了減小對FPGA的CPU的占用率，在CCD采樣板上設置一存儲器，將轉換完的數據暫存一下，以供FPGA系統讀取。當光路中無(wú)測量鏡片時(shí)，FPGA讀取CCD的采集數據，計算出光斑的中心位置，并將計算結果作為系統的初始參數。當光路中插入被測鏡片時(shí)，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。

　　3 圖像的二值化處理

　　由上述系統可以看出，圖像處理的好壞會(huì )直接影響測量的精度和穩定性。由于圖像采集設備CCD采用PAL制，所以系統要求FPGA處理一幀圖像的時(shí)間不超過(guò)20ms。圖像二值化算法的選擇標準為簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)現。故本系統采用最大類(lèi)間方差閾值分割算法。最大類(lèi)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(lèi)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)之間的像素組成，按下式計算A和B之間的類(lèi)間方差

　　式中wA(t)為A中所包含的像素數，wB(t)為B中所包含的像素數。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(gè)光斑的中心坐標應為該光斑的圓心。但是，經(jīng)過(guò)FPGA處理后的圖像由于離散化，已不是規則排列，故采用質(zhì)心計算法求出光斑的中心。首先設光斑由n個(gè)像素組成，每個(gè)像素對應的空間坐標為(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內存圖像的質(zhì)心坐標，通過(guò)一定的當量換算可折算成實(shí)際圖像中光斑的中心坐標。將各點(diǎn)的中心坐標帶入式(7)-(10)，即可求出被測鏡片的相關(guān)參數。

　　4 結束語(yǔ)

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