基于双CCD和ARM的焦度计技术的研究

　　0　前言

　　焦度计(focimeter or lensmeter),又称屈光度计、查片机、镜片测试仪,是眼镜零售店必备的验光配镜仪器之一,主要用于测量眼镜镜片(包括角膜接触镜片)的顶焦度 (S)、柱镜度(C),确定散光镜片的轴位方向,在未切边镜片上打印标记,并检查镜片是否正确安装在镜框中等。焦度计可以分为两种,普通的手动式调节焦度计和电脑式焦度计。普通的手动调节式焦度计的测量靠人为控制,通过肉眼观察仪器的视标情况来判定所测量眼镜片的顶焦度值,测量值受人的主观性因素影响较大,测量的精度相对较低,可重复性差;电脑式焦度计,也称自动式焦度计,这种焦度计的测量是靠光电器件测量和判定,可消除人的主观因素,测量的精度也相对较高。笔者所研究的焦度计是基于图像的自动焦度计。ARM(advanced RISC machines)是微处理器(MPU)卡行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、低耗能的FLASH存储器RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和低功耗的特点。在本文应用中主要选用韩国三星( Samsung) S3C4510处理器,它是基于ARM7TDMI的RISC型CPU,也是业界性价比最高的嵌入式32位处理器之一。S3C4510的主要特点为:32bits、ARM7TDMI内核,50MHz主频,单周期精简指令,内建Cache、DMA控制器,中断控制器等。其中,ARM7TDMI内核名字表明了它具有16位压缩指令集Thumb;在片调试(debug)支持,允许处理器响应调试请求暂停;增强型乘法器(multiplier)和嵌入式 ICE硬件提供片上断点和调试点支持,可以大大地提高整个软硬件系统的研发调试效率。

　　1　焦度计光学算法

　　焦度计主要是利用光学成像原理来求其相关的参数。查片仪的光路图如图1所示:　

　　S点经过起准直作用的projecting lens以平行光发出然后经成像透镜imaging lens成像于CCD的像面上。当焦距为f的球镜片(图2所示的是近视镜片)放置在projecting lens与imaging lens之间时,本为点像的S′点由于离焦成为一半径为d0的弥散斑,若imaging lens的焦距为f0,此时有下式成立:

　　f =dd0f0(1)

　　己知f0、d,测出do的值,即可求所测镜片的f值。

　　在图3的装置中,半径为d0的弥散斑转变为两对相距为2d0位于坐标轴上的直线的交叉点,如图4之ABCD。若测量的镜片为散光镜片,可以认为其由球面镜加一柱面镜片组合而成。不妨设S点单独经过球面时成像为ABCD点,则经过柱面后成像于A′B′C′D′点。设A(0,c),B(c,0),若测得坐标A′,B’相对于中心点O的坐标为A′(x2,y2),B′(x1,y1),由柱面镜的成像特点,得出如下几何关系图形:

　　由图4中的几何关系,即可知: