一种图像处理的全自动焦度计

　　0 引 言

　　焦度计主要用于测量眼镜镜片(包括角膜接触镜片和多焦点镜片)的顶焦度、柱镜度、棱镜度、光学中心及确定眼镜镜片的散光轴位方向等的精密光学计量仪器。焦度计又称屈光度计、镜片测度仪，广泛应用于医院眼科、眼镜店和镜片厂家。高精度、智能化焦度仪一直是目前行业内研究的课题。焦度计从工作原理上可分为调焦原理的焦度计和投影原理的焦度计。上世纪 80 年代前测量镜片以光机式为主，测量精度低，也使用不方便。由于美国、日本对 CCD 技术的研究处于领先地位，上世纪 90 年代利用 CCD 实现自动测量的这两种原理的全自动焦度计在市场出现，而国内直到 2003 年后才出现自动调焦原理的全自动焦度计的研究，投影原理的全自动焦度计的研究随后也才出现。基于自动调焦原理的焦度计目前以日本 TPCON 为代表，采用分辨率较高的双线阵 CCD 获取光学信号，采用 5 个 LED 快速轮流照亮“米”字形分划板(如图 1 所示)，通过电子系统处理计算得出屈光参数，实际上每个 LED 照亮“米”字相当于计算一个点，也就是说相当于在 CCD 上成了 5 个点的像，但线阵 CCD上成像的数据有限，需要使用电机补偿实现调焦精确测量，虽然精度高，但增加了机械成本和光学零件加工装配难度。基于投影原理的全自动焦度计目前以美国恒富利公司为代表，采用4 点图形(如图2 所示)，通过光学系统在面阵 CCD 成像，能够获取比线阵 CCD 更多的测量数据，再经电子系统计算处理，实现测量，由于采用投影技术，每个点在 CCD 上成像数据多，不需要机械补偿。这种原理的焦度计的优点是测量速度快、成本低。缺点是当光学分划板有灰尘或划伤镜片造成点局部变形，严重影响测量结果。

　　本文基于投影原理的全自动焦度计，提出了一种16 点测量方法(如图3)，研究了屈光参数计算方法和图像处理实现方法，测量精度和环境适应性较国内外同类技术有很大提高[1-3]。

　　1 光学测量原理及计算方法

　　1.1 光学测量原理

　　图4 是光学测量原理图，平行光线经被测镜片1 后发生偏转，经过带孔光阑2，投影到面阵 CCD 3 上。图中：1 为被测镜片;2 为带空光阑;3 为 CCD;h，h 为光线分别在光阑和测量面阵 CCD 处的高度;1 x , x,x分别是被测镜片后顶点到光阑的距离、光阑到面阵 CCD 的距离以及光阑到后焦点的距离;fL 为被测镜片后顶焦距。从图上可以看出：

式中：v即是被测镜片的顶焦度值，也就是所测量的镜片的屈光度值， v的单位为 D;h， x，x 已知，测出 h 就测出的镜片的屈光度值。