基于CCD与FPGA的全自动电脑验光仪图像系统设计

　　0 引言

　　验光所用的仪器称为验光仪，采用主观法验光的仪器称为主观验光仪，采用客观法验光的仪器称为客观式验光仪[2]。随着现代技术的发展，验光仪中应用了偏振光、空间频率滤光、双目光学、红外成像转换等技术，以及用微机控制、打印，用电视荧光屏显示等，制成各种主观、客观、主客观结合的自动、半自动验光仪，使验光仪在验光工作中得到广泛的应用。目前国内以客观式验光仪居多。

　　本文介绍的是全自动客观电脑验光仪，国内生产的全自动电脑验光仪在测量精度和准确度方面和日本的仪器相比还是存在一定的差距，因此本文设计了一种全新的验光仪图像处理系统，在测量精度和准确度方面都有了较大的提高。

　　1 全自动电脑验光仪的测量原理

　　全自动电脑验光仪是把一个确定的含有数学模型的图形投影至被验光者眼底，再用 CCD 检测从眼底反射回来的图形，从而确定人眼的屈光度、散光度和散光轴角[2]。验光师只需按一下测量键就可完成全部测量过程，实现了测量过程的自动化。验光测量原理如图 1 所示。

　　当人眼是正视眼(即屈光正常)时，由放置于准直物镜焦面上的分划板 T 发射平行光，经过由L2 及 L3 组成的发射望远镜系统，形成清晰的像于人眼眼底。然后由眼底反射经 L4 及 L5 组成的接收望远镜，再经会聚透镜 L6 形成清晰图像于 CCD上。当人眼是非正视眼 ( 即屈光不正常 ) 时，移动L2 并移动 L5 ，按上述原理使分划板 T 形成清晰的像于 CCD 上。

2 全自动电脑验光仪图像采集与处理系统的工作原理

　　本系统主要由图像采集和图像处理两大部分组成，其结构如图 2 所示。首先，由 DSP 启动对数据的采样，通过扩展的 I/O 口，发送控制信号到FPGA，控制信号主要由开始采集、采集出错、采集完成等几个状态组成。FPGA 一旦接收到开始采集信号，就立刻向 A/D 转换器发送采集控制信号，启动 A/D 转换 ; 为了实现 SRAM 中数据地址的同步，将 A/D 转换的数字信号送往 FPGA 进行缓冲，然后送 SRAM 供 DSP 读取 ;DSP 通过查询和中断方式，监控 FPGA 发出的中断信号，一旦接收到 CPLD 发出的中断信号，DSP 读取某路的数值并与初始数据比较，根据比较结果继续向 CPLD 发送控制信号。如果此时的控制信号为采集完成信号，则 DSP 在通知 FPGA 停止采集的同时，延时一段时间后再读取 SRAM，然后在内部进行数据处理，将处理结果放在存储器中。

　　2.1 图像采集系统的工作原理[4]

        设计中的图像采集系统工作原理如图 3 所示，通过 CCD 把采集到的人眼底图像的光信号转换为标准的视频电信号，视频信号经过放大，进入视频分离器。视频信号经过视频分离器后，分别得到行同步信号、帧同步信号、奇偶同步信号和消隐同步信号。行同步信号和奇偶同步信号进入 FPGA 器件。FPGA 利用接收到的奇偶同步信号作为起始触发信号，当这个信号到来后，FPGA 内部切换到采样状态。行同步信号作为 FPGA 内部行计数器的 CLK 信号。FPGA 内部还有列计数器，它的 CLK 信号来自有源晶振。这两个计数器的输出分别作为 SRAM 的地址的高七位和低十位的输入。行地址决定了一帧图像采集的行数，列地址决定每行采样的数据点个数。